Brevet FR2602092A1 — publié le 19880129

Séparateur magnétique pour la production de faisceaux ioniques ou électroniques à très haute intensité La présente invention concerne de nouveaux générateurs de faisceaux d'ions ou d'électrons ayant à la fois une intensité exceptionnelle et un encombrement réduit. Dans ces dispositifs, I'entrefer du circuit magnétique pour la sélection des masses a la forme d'un parallélépipede rectangle très allongé. Dans ce qui suit, nous appelons "bord du circuit "la direction de la plus grande dimension. La source d'électrons ou d'ions, parallèle au bord du circuit et pratiquement de même longueur, injecte dans l'entrefer une nappe de particules (électrons ou ions) géométriquement confondue avec le plan médian du système. Le potentiel V d'injection est réglable. Soit n le nombre de masse des particules : toutes les trajectoires correspondant à une même valeur de nV sont superposables par simple translation. A l'intérieur de l'entrefer, les trajectoires sont des arcs de cercle de rayon R donné par (e = charge de l'électron ; m = masse du proton ; B = induction magnétique). Soit d la largeur de l'entrefer. Pour R ( d, les trajectoires sont des demi-cercles et restent confinées dans l'entrefer. Pour R > 4 d, les trajectoires sont des arcs de cercle prolongés par des droites à la sortie de l'entrefer. Pour R = d + C ( petit), les particules quittent presque tangentiellement l'entrefer et restent ensuite soumises à l'action d'une faible induction magnétique (champ de fuite) très rapidement décroissante avec la distance ; les trajectoires ont alors la forme d'ellipses très allongées. Pour une même valeur de nV, elles admettent une tangente commune parallèle au bord du circuit et sur laquelle les trajectoires sont pratiquement confondues. Une nappe de particules de même masse, injectée dans l'entrefer, le quitte sous la forme d'un faisceau très mince, quasi rectiligne. Une fente de collection, suivie par exemple d'électrodes de focalisation et d'accélèration, est située en bout de système et permet d'utiliser le faisceau constitué, pour chaque valeur de V, de particules ayant une masse et une énergie strictement définie. En faisant varier V, on peut sélectionner la masse des particules. La résolution d'un tel système est très bonne : en effet, quand les particules quittent l'entrefer, B diminue brutalement de valeur. R augmente mais les centres de courbure des trajectoires,. quelle que soit la masse des particules, sont groupés sur une droite parallèle au bord du circuit (cette propriété est établie très facilement par la géométrie élémentaire). La dispersion avec ss n des trajectoires au niveau du collecteur où elles sont quasi parallèles au bord du circuit, est égale à AR et d'autant plus grande que B est faible à ce niveau. En fait, la dispersion est encore fortement accentuée par le fait que les particules de masses différentes sont soumises en fin de trajectoire à des champs magnétiques différents : les petites masses sont confinées dans un champ constant ; les grandes masses quittent l'entrefer sous un angle important et échappent très rapidement au champ de fuite ; les masses intermédiaires quittent au contraire l'entrefer sous un angle faible et restent soumises à un champ de fuite très rapidement décroissant : deux masses même très voisines subissent ainsi dans cette région des actions magnétiques différentes. On conçoit que la résolution est bien meilleure que dans les dispositifs de sélection classique à champ constant. Ces systèmes peuvent être utilisés comme générateurs de faisceaux intenses d'ions de masse donnée, ou d'électrons, ou encore, comme spectrographe de masse. Ils ont sur les dispositifs à déflection magnétique existants les avantages suivants 1) La sensibilité d'un générateur d'ions ou d'un spectrographe de masse est le produit de la densité ionique dans la chambre d'ionisation et du volume utile (volume d'extraction) de cette chambre. Ce volume est lui-même proportionnel à la longueur de la fente d'extraction des ions. Cette fente est ici parallèle (et non perpendiculaire) au plan des pièces polaires. Elle peut donc être très longue (tout comme la source ionique) sans augmenter l'entrefer du circuit magnétique. La sensibilité peut ainsi être très grande. 2) Toutes les trajectoires ioniques sont dans le plan médian de l'entrefer : sa hauteur peut donc être réduite et l'encombrement du circuit magnétique est ainsi beaucoup plus faible. 3) La collection des ions a lieu à proximité des pièces polaires mais dans une région où le champ magnétique est très faible : la dispersion des trajectoires correspondant à des nombres de masse différerits est dans ce cas nettement plus grande et la résolution est excellente tout en conservant des trajectoires courtes, et donc, des dimensions réduites. Remarquons que, dans les dispositifs classiques, la fente d'extraction est perpendiculaire au plan des pièces polaires. Sa longueur, ainsi que le volume utile de la source ionique, ne peut être augmentée qu'en donnant au circuit magnétique des dimensions exagérées. D'autre part, la résolution ne peut être améliorée qu'en augmentant la distance du collecteur et aussi les dimensions de l'appareil. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple et illustré par le dessin annexé (fig. I) (fig. 2). L'entrefer du circuit magnétique a la forme d'un parallélépipède rectangle allongé. La source ionique et la fente d'extraction sont parallèles à la plus grande dimension (dans le plan de la fig. 2). La source baigne dans un champ magnétique faible obtenu par une dérivation du circuit principal. Les électrons émis par le filament f sont accélérés par un potentiel d'environ 100 Volts entre f et a. Ils décrivent dans la chambre d'ionisation des cycloides très aplaties contenues dans le plan médian. Les ions sont formés en majorité dans le voisinage immédiat de la tangente commune à toutes ces cycloides. Les ions sont injectés dans l'entrefer du séparateur par un potentiel variable V établi entre b et c (I'extraction est facilitée par une faible différence de potentiel entre a et b). La forme des trajectoires ioniques est donnée pour trois masses différentes sur la fig. 1 où V est réglé pour la sélection de l'hélium (n = 4). Pour sélectionner les ions ayant un nombre de masse donné n, on règle le potentiel de façon que le rayon de courbure R des trajectoires dans l'entrefer soit égal à d +E. (d correspond à la largeur de l'entrefer ; E est une quantité petite qui dépend de la position choisie pour le collecteur). On a: Pour conserver la valeur de V dans un intervalle raisonnable, on peut utiliser un système avec deux sources ioniques et deux collecteurs. Le premier collecteur (le plus rapproché de sa source) sélectionnera par exemple la masse de 10 à 1, et le deuxième, les masses de 100 à 10 pour une même tension V de balayage allant de 100 à 1000 Volts. Enfin, le profil des pièces polaires peut être modifié comme schématisé sur la fig. I. Le rayon de courbure des trajectoires est ainsi fortement augmenté au niveau du collecteur : la résolution est améliorée sans augmentation notable de l'encombrement. Remarquons que la source avec filament peut être remplacée par une source du type Penning (fig. 3) aisée à réaliser ici puisqu'on dispose d'un circuit magnétique puissant. Une électrode de répulsion extrait les ions du plasma. On peut d'autre part améliorer la focalisation des ions de même masse sur le collecteur en modulant la largeur d du circuit magnétique (largeur plus faible côté collecteur). Précisons que la source de Penning mentionnée ci-dessus, a une longueur pratiquement égale au circuit magnétique de sélection. Pour éviter la dispersion trop grande de l'énergie des ions, l'espace de décharge, face à la fente d'extraction est rendu quasi équipotentiel par une grille de section en U, ouverte vers la fente d'extraction. Précisons aussi que le dispositif de collection des ions, situé à une extrémité du circuit magnétique de sélection, est constitué soit par une cible (cage de Faraday par exemple) ou un système d'électrodes de focalisation et d'accélération pour l'utilisation du faisceau ionique. Enfin, soulignons que, dans la source avec filament, ce filament est tendu parallèlement à l'entrefer, sur toute sa longueur, au niveau du plan médian du système. Par rapport aux dispositifs existants, de tels systèmes présentent une sensibilité très supérieure avec un encombrement beaucoup plus faible. Ils sont donc tout naturellement destinés aux applications où une sensibilité élevée est requise avec un encombrement minimum. (Bombardement ionique, SIMS, canons à électrons, analyse Auger, analyse des gaz, détection de l'hélium, etc...). REVENDICATIONS 4. Générateur sélectif d'ions, combinant l'action de champs magnétiques et électrostatiques, où la chambre dsionisation et l'entrefer du circuit magnétique de sélection ont la forme de parallélipipèdes très allongés placés parallèlement, la chambre d'ionisation baignant dans un champ magnétique auxiliaire, .et où une nappe d'ions, pratiquement confondue avec le plan médian du système est injectée par un potentiel V réglable dans l'entrefer de sélection, perpendiculairement à sa plus grande dimension.Caractérisé par le fait que le collecteur d'ions (cage de Faraday ou multiplicateur d'électrons) ou un système d'électrodes de focalisation et d'accélération des ions, est placé à une extrémité de ltentrefer de sélection, à proximité du bord opposé à la source, à une distance de ce bord où les ions d'une masse donnée ont, pour un potentiel d'accélération convenable, des trajectoires pratiquement confondues ; caractérisé par le fait que la source d'ions, le collecteur d'ions (ou les électrodes de focalisation et d'accélération de ces ions) sont placés sensiblement au niveau du plan médian du circuit magnétique de sélection. 02. Générateur d'ions suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'agent d'ionisation est constitué par les électrons émis par un filament métallique chauffé, rectiligne ou hélicoidal, ou en forme de ruban, tendu parallèlement à la source, dans son plan médian et sur pratiquement toute sa longueur. Les électrons émis sont accélérés par un potentiel convenable établi entre la source et le filament, et décrivent dans le champ magnétique auxiliaire où baigne la source, des cycloides très aplaties. 4 Générateur d'ions suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la source est constituée par un dispositif du type Penning, de longueur sensiblement égale au circuit de sélection ; par le fait que la partie de ce dispositif faisant face à la fente d'extraction des ions est rendue quasi équipotentielle par une grille de section en U, ouverte vers la fente.