Brevet FR2611304A1 — publié le 19880826

1. Dispositif pour l'implantation de particules, dépen- dant de la profondeur, dans une cible ". L'invention concerne un dispositif pour l'implantation de particules, dépendant de la pro- fondeur, dans une cible, sur laquelle les particules sont dirigées sous la forme d'un faisceau de particules et pour laquelle l'énergie des particules est variable d'une manière régulière, selon le principe du "coin gris". Etant donné que la profondeur de pénétration des particules dans un matériau en forme de cible dépend de leur énergie cinétique, l'énergie des parties doit par exemple pour une implantation homogène, être variable d'une manière régulière adéquate. En pra- tique, une variation de l'énergie cinétique est cepen- dant coûteuse et seulement possible d'une manière limi- tée. En particulier par utilisation d'accélérateur cir- culaire avec des systèmes de guidage du faisceau subsé- quents, l'énergie des particules (Emax) est bloquée. C'est ainsi qu'elle pourrait être seulement implantée dans une strate dans laquelle Xmas est éliminé de la surface de contact des particules sur la cible. Afin de pouvoir implanter également entre Mmax et cette sur- face les particules, l'énergie des particules origi- nelles E devrait être atténuée d'une manière adéqua- max te. En général, on dispose à cette fin un coin devant le matériau à implanter (cible) grace auquel les particules sont ralenties. Si on désire une implantation homogène, on déplace le coin en avant et en arrière perpendiculairement à la direction du fais- ceau d'une manière cyclique. A la place du coin, un atténuateur en forme de disque est également habituel; celui-ci tourne avec un nombre de tours constant autour d'un axe parallèle à l'axe du faisceau. Il existe un problème particulier en ce que, par parcours rapide du matériau, les parti- cules chargées, non seulement subissent une atténua- tion d'énergie, mais aussi une modification de direction autour de l'angle 0 (déviation standard selon la répar- tition de Gauss) par suite de nombreuses variantes indé- pendantes du type Kleinwinkel-Coulomb. A cet égard, l'équation: 0 = x dans laquelle 6x est la densité du matériau, Lx la lon- gueur du faisceau, p la quantité de mouvement des par- ticules et Bc la vitesse des particules. En conséquence de cette dispersion 0 peut dépasser 45 d'emblée, lors- qu'il doit être implanté dans la zone de la surface de la cible, c'est-àdire que les particules doivent être fortement freinées. Si la surface de la cible est par exemple dans un cas caractéristique égale à la surface de la section transversale Ao = 1 cm2, 0 = 45 et l'atténuateur est éloigné de 5 cm de la cible, la sur- face irradiée, par suite de la dispersion, A1 > 75 cm2. L'intervalle atténuateur-cible peut en pratique dépas- ser nettement 5 cm, étant donné que la cible doit être maintenue souvent dans un four et que le maintien et la conduite de l'atténuateur exigent également de la place. En particulier, lors d'implanta- tions de particules Jusqu'au colmatage de la surface de la cible, la dispersion de l'angle conduit à une perte de temps considérable à cause du facteur A1/Ao. Etant donné que les coûts de fonctionnement effectifs d'accélérateurs qui sont en mesure par exemple d'im- planter d'une manière homogène 500 Pm de fer avec des particules (26 MeV/nucléon), se situent à environ 1200 DM par heure, une économie de temps réelle est hautement désirable (soit 4200 FF par heure). Si les particules sont implan- tées avec de l'énergie cinétique au-dessus de l'onde de Coulomb, les réactions nucléaires conduisent à une activationnette de l'invention. Une dispersion et une irradiation au-delà de la zone de la cible par consé- quent, doivent être corrélativement évitées. Etant donné que le profil d'im- plantation n'est pas parallèle à la surface de la ci- ble (angle a 4 0 ), une méthode de préparation dépen- dante de la profondeur (par exemple la corrosion) ou une analyse est par conséquent problématique. Certes, il est connu du livre de physique (Handbuch der Physik) tome 24 (1929) d'uti- liser pour mesurer l'atténuation de l'intensité d'un rayonnement de photons, un coin gris à côté duquel deux coins, mobiles en sens opposé, sont placés devant la fente d'un spectrographe. Selon l'épaisseur du dou- ble coin, le rayonnement sera atténué - d'une manière mesurable - plus ou moins fortement. De toutes façons, le coin gris n'est ni utilisé comme atténuateur, ni les processus ne sont examines - comme des effets de dispersion - ou bien pris en considération. En outre, les particules chargées se comportent, lors de la pénétration dans le matériau, de principe autrement que comme un rayonnement électro- magnétique. Le problème sur lequel repose l'in- vention consiste en ce que, pour former le dispositif de ce genre, une implantation - dépendant de la profon- deur - des particules (par exemple Electrons, Protons, Particules a, Ions) peut être garantie par couches, qui économise du temps, à la surface d'un matériau de cible. Le dispositif dépend de la profon- deur dans une cible, sur laquelle les particules sont dirigées sous la forme d'un faisceau de particules et pour laquelle l'énergie des particules est variable d'une manière régulière au moyen d'un modérateur. les avantages particuliers qui dé- coulent de la proportion de solution selon l'invention sont: - le profil d'implantation parallèlement à la surface de la cible, - les implantations définies des particules sont assu- rées Jusqu'à la surface de la cible, c'est-à-dire que des implantations homogènes ou des profils de concentration arbitraires peuvent être obtenus, - des implantations de particules de concentrations plus élevées deviennent en premier lieu possibles, directement à la surface de la cible, - réel gain de temps et de coût, - avantages de manipulation par réduction de la radio- activité sur les composants par suite d'une faible dispersion sur la cible implantées en conséquence d'une diminution de l'énergie d'entrée, lors de l'im- plantation d'Hélium des alliages à base de fer (200 Um), l'activité est réduite d'environ 70 % par rapport à des coins simples, - lors de la transformation vers de nouveaux matériaux de la cible ou d'autres profils d'implantation, le double coin n'a pas besoin en règle général d'être échangé ou d'être fabriqué à neuf. L'adaptation peut s'effectuer par le choix approprié du matériau des plaques de l'atténuateur, - par mise en oeuvre d'un chauffage de la- cible, les plaquettes de l'atténuateur peuvent servir comme paroi du four. Les gradients de température à la sur- face de la cible sont réduites de ce fait à un mini- mum et - en conséquence de l'épaisseur plus faible du coin. On peut renoncer souvent complètement à un refroidis- sement, lequel est coâteux pour des parties mobiles sous vide. L'invention est expliquée d'une manière plus précise dans ce qui suit en s'appuyant sur un exemple d'exécution au moyen des figures 1 à 8. La figure 1 montre schématique- ment une installation d'irradiation pour une cible (1) qui est irradiée d'une manière homogène à l'aide du faisceau de particules (2). Le faisceau de particules (2) s'échappe avec l'énergie Emax d'une source d'irra- diation de particules, non représentée, est focalisé à l'aide des deux diaphragmes (3) et (4). Entre les deux diaphragmes (3) et (4), les deux coins (5) et (6) sont mobiles en sens opposé, perpendiculairement à la direc- tion du faisceau (7) de telle façon qu'ils manifestent toujours, en ce qui concerne la section transversale du faisceau, une épaisseur constante (principe du coin gris). Dans la direction du faisceau (7) montré derrière le diaphragme (4), il y a un disque (9) disposé aligné au-dessus de la surface (8) et parallè- lement à celle-ci, également en matériau de l'atténua- teur comme les coins (5) et (6). Le disque se trouve le plus près possible de la surface (8). Un profil de profondeur (10) pour une implantation est dessiné. Par utilisation de l'atténuateur du double coin (5), (6), par lequel les coins (5) et (6) se déplacent perpendiculairement à la direction du faisceau (7), en sens opposé, tous les deux dans leur mesurage de préférence égaux, l'atténuation de l'éner- gie est par conséquent aussi grande à chaque instant sur la totalité de la surface d'irradiation, de telle sorte quë le parallélisme des profils de profondeur (10) est obtenu exactement pour la surface (8). En outre, un facteur de deux environ est encore obtenu dans le temps de faisceau. En plus, il se produit une réduction drastique de la dispersion angulaire O (voir figure 1). Ceci est obtenu en ce que les deux parties de l'atténuateur (5) et (6) sont amincis et ce maté- riau manquant, sous la forme d'une plaquette de l'atté- nuateur (9) d'épaisseur constante, est intégré dans le support de la cible, éloigné de quelques millimètres de la cible. On choisira à cette fin cette plaquette (9) aussi épaisse que possible et les deux coins (5) et (6) aussi minces que possible. Ces der- niers doivent être déplacés dans une zone de travail qui est seulement si épaisse comme il est absolument nécessaire pour l'implantation correspondante. En pra- tique, la plaquette (9) peut être tout à fait plus épaisse que les deux coins (5) et (6) ensemble, pour lesquels les mesurages concrets des plaquettes (9) et coins (5) et (6) à l'aide de la figure 2 (fer, alu- minlum et graphite) peuvent être déterminés. Naturel- lement d'autres matériaux ou d'autres combinaisons de matériaux sont possibles. Il est visible à la figure 2, que la perte d'énergie initiale est en premier lieu, faible. La dispersion angulaire O est par conséquent faible d'une manière correspondante au cours du parcours des doubles coins (5) et (6). Immédiatement après le pas- sage de la plaquette de l'atténuateur (9). On peut pren- dre une grande valeur, ce qui ne joue plus aucun role en pratique, car elle se tient à peu près directement devant la cible (1). La comparaison des solutions d'at- ténuateurs conventionnels, à une partie (coin ou roue) avec la solution conforme à l'invention d'atténuateur en 3 parties, a été entreprise dans ce qui suit sur la base d'un exemple d'exécution. Exemple d'exécution: L'implantation homogène d'une cible en fer de 400 pm d'épaisseur avec des particules a, dont l'énergie sur la cible s'élève à Ema = 104 MeV max et dont la section transversale de faisceau est Ao = 1,0 cm2 (sans coin d'atténuateur). Matériau de l'atténuateur: Graphite (bon rayonnement de la chaleur, activation comparativement faible, car seule- ment le nuclide Be-7 est formé, grande longueur d'irra- diation Lx). Une comparaison directe entre la solution conventionnelle à une partie et la solution conforme à l'invention en trois parties (selon la fi- gure 1) n'est pas directement possible pour les mesures de courant de la cible, car le coin simple produit un profil d'implantation oblique (angle a O) et la dis- persion angulaire pour une position du coin prédéter- minée est également non constante sur la totalité de la largeur du coin. Une comparaison serait possible seulement pour une implantation parallèle à la surface de la cible. Pour une mesure comparative, il faudrait par conséquent écarter la plaquette de l'atténuateur (9) de la cible (1) et rendre les coins doubles (5) et (6) plus épais d'une manière correspondante. On doit faire attention au respect d'étroites tolerances pour la fabrication (voir à cet égard la figure 3 et la fi- gure 4). La figure 3 montre le flux de la cible I/Io ou la profondeur de pénétration (te) pour le fer en correspondance avec la position de l'atté- nuateur (5) et (6) pour l'atténuateur triple nouvelle- ment réalisé (courbe 11) et pour des atténuateurs usuels (courbe 12), simulé ici au moyen de l'atténua- teur à double coin selon la figure 4. La supériorité énorme du nouveau mode de construction en trois parties de l'atténuateur se traduit nettement en raison de la réduction très importante de la dispersion angulaire O. Le gain de temps et de coût représente au moins un facteur de 3. La position du coin pour les diverses positions de l'atténuateur est représentée à la figure 4. Une levée de 11,5 mm (START) (départ) correspond à une profondeur d'implantation (intervalle profil de profondeur (10) à la surface (8)) de 400 pm et une levée de 26,9 mm (AiRRT) à une implan- tation sur la surface de la cible (8). Quoique avec 35 cm, l'intervalle entre l'atténuateur et la cible soit très grand, la force du flux pour des profondeurs d'implantation plus grandes n'est réduite que d'environ 50 % dans le cas d'un atténuateur triple (5), (6), (9). La dispersion croissante angulaire O pour des profondeurs d'implanta- tion décroissantes (10) est compensée lors d'implanta- tion homogène, au moyen d'une durée de séjour croissan- te des coins (5) et (6). La figure 3 montre également qu'avec des atténuateurs habituels (courbe inférieure), il ne peut pas être implanté à la surface immédiate (8) ( dans le cas de solutions conventionnelles, à de gran- des pertes de temps et par conséquent souvent à des coûts d'irradiation qui ne sont plus supportables. Il doit être mentionné encore que le résidu du flux de la cible pour un atténuateur tri- ple (5), (6) et (9) dans la figure 3 est déterminé encore seulement par la dispersion de la portée in- hérente. Dans le fer celle-ci se situe pour les parti- cules î avec Ema = 104 MeV à 28 MeV (FWHM). max Pour l'implantation de surface, le résidu ne joue cependant aucun rêle dans le déroule- ment des courbes (courbe supérieure) du flux de cible, car la plaquette (9) repose pratiquement sur l'échan- tillon (1) et de ce fait est devenue "partie constitu- tive" de la cible. Les exemples d'exécution pour-les coins (5) et (6) ou le disque (9) sont représentés en coupe et comme contrôle dans les figures 5 et 6 et les figures 7 ou 8. Le matériau de l'atténuateur est en graphite pur avec une densité de 1,80 g/cm3. D'autres améliorations et avan- tages de l'invention sont caractérisés en ce que: a) le modérateur est composé d'au moins de trois par- ties, dont au moins deux sont formées sous forme de coins mobiles, perpendiculairement à la direction du faisceau, en sens opposé et qu'au moins, b) une troisième partie est formée comme un disque qui dans la proximité immédiate de la surface de la cible est disposée, alignée parallèlement à celle-ci; l'épaisseur et l'angle de montée des deux coins sont choisis de telle manière que leur zone de travail est suffisante pour recouvrir les zones d'implantation des particules sur la cible et qu'avec l'épaisseur du dis- que, l'action manquante du modérateur des deux coins soit comparable; le disque est implantable en tant qu'élément de construction pour un chauffage de la ci- ble; avec le disque la dépendance de l'implantation des particules de la variante d'angle peut être rédui- te. 1 1 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Dispositif pour l'implantation de particules, dépendant de la profondeur dans une cible, sur laquelle les particules sont dirigées sous la forme d'un faisceau de particules et pour laquelle l'énergie des particules est variable d'une manière régulière au moyen d'un modérateur selon le principe du "coin gris", caractérisé en ce que: a) le modérateur (5, 6, 9) est composé d'au moins de trois parties, dont au moins deux (5, 6) sont formées sous forme de coins (5 et 6) mobiles, perpendiculaire- ment à la direction du faisceau (7), en sens opposé et qu'au moins, b) une troisième partie (9) est formée comme un disque qui dans la proximité immédiate de la surface (8) de la cible (1) est disposée, alignée parallèlement à celle-ci. 2 ) Dispositif selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'épaisseur et l'angle de montée des deux coins (5 et 6) sont choisis de telle manière que leur zone de travail est suffisante pour recouvrir les zones d'implantation des particules (10) sur la cible (1) et qu'avec l'épaisseur du disque (9), l'action manquante du modérateur des deux coins (5, 6) soit comparable. 3 ) Dispositif selon la revendica- tion 1 et 2, caractérisé en ce que le disque (9) est implantable en tant qu'élément de construction pour un chauffage de la cible. 4 ) Dispositif selon la revendica- tion 1 et 2, caractérisé en ce qu'avec le disque (9) la dépendance de l'implantation des particules de la variance d'angle (0) peut être réduite.