Brevet FR2618604A1 — publié le 19890127

SOURCE D'IONS DE METAUX LIOUIDES A ARC SOUS VIDE L'invention concerne une source d'ions à arc sous vide dont les électrodes comportent une cathode, une gachette de commande et une anode de petites dimensions, lesdites ca- thode et gachette présentant une structure en forme de couron- ne et ladite anode étant disposée suivant l'axe de ladite cou- ronne, lesdites électrodes étant polarisées de telle façon qu'un premier jet de plasma émanant de ladite cathode soit formé dans l'espace anodecathode, les électrons dudit plasma étant attirés sur l'anode pour en échauffer le matériau de fa- çon contrôlée jusqu'à l'obtention de la température nécessaire à sa vaporisation et pour ioniser ensuite la vapeur émise afin de former un second jet de plasma émanant de l'anode et dirigé vers une électrode. d'extraction convenablement polarisée et à partir de laquelle les ions pourront être extraits. Les sources d'ions sont utilisées dans de nombreux dispositifs: iaplantateurs, accélérateurs, tubes à neutrons, spectromètres de masse, etc. Par rapport aux sources d'ions à décharge dans les gaz, les sources à arc sous vide offrent la possibilité de ré- duire les moyens de pompage entre la source d'ions et la zone d'accélération et de disposer de grandes surfaces d'extrac- tion. Dans un arc de configuration classique l'anode est un collecteur d'électrons tandis que la cathode est émetteur d'électrons et de plasma (formé à partir du matériau cathodi- que). La réduction de la surface anodique exposée au flux électronique a pour effet d'entraîner une augmentation de la densité du bombardement électronique et par conséquent de l'énergie déposée. - 2 - Il en résulte pour une valeur seuil, fonction dez matériaux anodique et cathodique, du courant d'arc et de la surface anodique exposée, l'apparition de zones lumineuses el- les-mèmes émettrices de plasma à partir du matériau anodique Les propriétés des plasmas émis sont proches de celles des spots cathodiques (angle, densité, vitesse), mais le flux de matière émis sous forme de plasma peut être contrôlé (structu- re géométrique, courant de l'arc, caractéristiques temporelles des impulsions) par l'intermédiaire de la température de l'anode qui résulte ainsi de l'énergie apportée par les élec- trons et de l'énergie dissipée, sur l'anode en particulier, dans la création de la vapeur émise et ensuite ionisée. En utilisant ce principe de création de spot anodi- que, la présente invention vise & créer une source de plasma & partir d'une couche de métal recouvrant la surface de l'anode en vue de la production d'ions du même métal. A cet effet et conformément à l'invention, une cou- che de métal liquide en provenance d'un réservoir vient recou- vrir la surface anodique communiquant avec ledit réservoir à travers une paroi réalisée dans un matériau qui présente par rapport au métal liquide, une grande différence des températu- res nécessaires & l'obtention d'une même tension de vapeur, ladite paroi étant disposée de façon à ne pas être obturée par le dépôt de matériau cathodique qui peut être (ou non) de même nature que celui de l'anode et choisi de facon à ne pas per- turber les caractéristiques de mouillabilité de celle-ci. Dans une première variante, ladite paroi séparant le réservoir de la surface anodique est constituée d'un maté- riau comportant de nombreux pores permettant le passage du mé- tel liquide par capillarité tel que par exemple un fritté en tungstène ou de nickel. Dans une seconde variante, ladite paroi de sépara- tion réservoir-surface anodique est traversée par des fentes contiguës permettant l'alimentation de la surface de l'anode -3- par diffusion superficielle à travers un matériau fonction de ses caractéristiques de mouillabilité par le métal liquide. Deux groupes de métaux liquides sont utilisables - les métaux liquides à température ambiante et à faible ten- sion de vapeur (gallium, caesium, alliage gallium-indium...) - les métaux liquéfiés par chauffage du réservoir et de l'ano- de et à faible tension de vapeur (étain, indium, bismuth, plomb...). Une solution intéressante pour les matériaux liqui- des à température ambiante tel que le mercure est l'emploi d'une anode refroidie à basse température et susceptible d'être alimentée par la tension de vapeur importante (par exemple quelques 10-3 torrs) de ce composé dans le vide rési- duel. Le matériau se condense sur l'anode et est ainsi vapori- sé et ionisé, comme pour les métaux en phase liquide, par les électrons de l'arc. Une autre solution permettant d'augmenter la durée d'utilisation des sources d'ions est l'utilisation de matériau cathodique beaucoup moins réfractaire que 1l'anode mais compa- tible avec les propriétés de mouillabilité nécessaires: pour désobturer les pores ou les orifices d'arrivée du métal liqui- de (ou liquéfié), on fait fonctionner la source d'ions sans métal liquide, à des énergies plus élevées permettant la créa- tion de spots anodiques sur le matériau cathodique déposé sur l'anode. L'énergie doit par contre rester inférieure au seuil conduisant à des spots anodiques sur matériau anodique mas- sif. Ce mode (dit de conditionnement) est préparatoire au bon fonctionnement de la source d'ions. La description suivante en regard des dessins anne- zés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure la représente le schéma de principe d'une source d'ions de métaux liquides à arc sous vide de type bi- planaire conforme à l'invention. -35 La figure lb représente des coupes d'anode poreuse et d'anode avec fentes. -4- A partir du schéma de principe de la figure la, on peut cdni'r:r Averses structures de sources de plasma: - - Figure 2a: une structure 'multipoints' constituée de nom- breux éléments identiques. - Figure 2b: une structure 'en couronne' avec anode en forme de couronne et son système multispots cathodiques. - Figure 3: une structure 'cylindrique' avec les cathodes disposées suivant les génératrices d'un cylindre. - Figure 4: une structure "multi-annulaire' à anodes sous forme de cylindres plats et cathodes disposées en couronne. Cette structure est constituée par la mise en parallèle d'éléments identiques. La figure 5 représente le schéma de principe d'une source d'ions de métaux liquides à arc sous vide de type co- planaire conforme à l'invention. On peut également concevoir les structures de sour- ces suivantes intermédiaires entre la structure de type bipla- naire et la structure de type coplanaire: - Figure 6: une structure à cathode cylindrique. - Figures 7a et 7b: des structures à cathode tronconique. Les éléments correspondants sur ces différentes fi- gures seront indiqués par le même chiffre de référence. Sur la figure la, une coupe suivant un plan verti- cal fait apparaître une cathode en métal 1 en forme de couron- ne circulaire dont la face en regard de l'ouverture 2 est pro- tégée par un écran isolant 3. L'anode 4 disposée en face de l'ouverture 2 suivant l'axe de la couronne et maintenue par un disque isolant 5 for- mant écran, comporte selon l'invention un réservoir 6 conte- nant le métal liquide 7. La partie inférieure de ce réservoir a une forme rétrécie de manière à présenter une zone superfi- cielle 8 de petites dimensions constituant l'anode proprement dite séparée de la zone liquide du réservoir par une paroi 9. Pour favoriser l'amorçage d'un arc entre la cathode et l'anode, on peut utiliser une décharge produite entre deux électrodes auxiliaires 10 et 11 en forme de couronne par exem- ple et séparées par un sillon 12 de l'ordre de 0,1 mm et cons- tituant la gachette de commande. Cette décharge auxiliaire est indispensable au fonctionnement correct de la source; elle pourrait être d'une autre définition et par exemple obtenue par une gachette anodique très proche de la cathode de la source. Le rôle des écrans de cathode 3 et d'anode 5 est de servir de support respectivement & la couronne 1 et au réser- voir 6 et de former écran aux microparticules éventuellement libérées par l'anode dans le volume o se produit-l'ionisation et d'occulter la cathode et la g&chette qui émettent des ions parasites. La paroi 9 séparant le métal liquide 7 de la surfa- ce anodique 8 est constituée d'un matériau comportant de nom- breux pores 13, tels que représentés sur la figure lb, mon- trant une coupe avec zone agrandie de cette paroi suivant un plan horizontal. On obtient ainsi le passage par capillarité de la partie réservoir à la surface anodique. Le mode d'alimentation de cette surface anodique peut également être réalisé au moyen de fentes contiguës 14 traversant la paroi 9 telles que représentées sur la figure lb montrant également une coupe avec zone agrandie de cette paroi suivant un plan horizontal. La surface anodique est ainsi re- couverte par diffusion superficielle et le matériau anodique choisi est alors fonction de ses caractéristiques de mouilla- bilité par le métal liquide. Selon l'invention, la paroi 9 est constituée par exemple par un système & fritté poreux tel que le tungstène. Ce fritté est entouré par le métal liquide qui a diffusé par capillarité vers la zone superficielle 8 de l'anode en regard de l'ouverture 2. Les jets de plasma 15 et 16 émis respectivement par la gachette et la cathode produisent entre cathode et anode un flux d'électrons 17 qui vient échauffer de façon contrôlable la partie de l'anode constituée par l'élément fritté en con- tact intime avec l'élément métal diffusé. Si par exemple l'élément métal est du gallium, ce- lui-ci présente une tension de vapeur de 1 am de mercure à la température de 3000'C, alors que le tungstène servant de maté- riau support présente la même tension de vapeur à 4500C. Si donc la température de l'anode est bien contrô- lée, l'élément métal sera seul vaporisé pour former après io- nisation un jet de plasma 18 dirigé perpendiculairement & la surface anodique et composé exclusivement d'ions métal. La pression du métal liquide dans le réservoir peut être fixée par un système à piston 19 et à ressort 20. Le ré- servoir est muni d'un queusot de vidange 21 auquel on peut substituer un robinet. Un système de chauffage non représenté peut être disposé pour liquéfier les métaux non liquides à la températu- re ambiante. Diverses structures de sources de plasma peuvent être utilisées. La figure 2a montre une structure dans laquelle on utilise une pluralité de sources identiques au modèle de base décrit ci-dessus. La partie supérieure et la partie inférieure sont respectivement une coupe verticale suivant le plan pas- sant par AA' et une coupe horizontale suivant le plan passant par BB' sur lesquelles on a repéré les cathodes I avec leurs écrans 3, les gachettes 10, les surfaces anodiques 8 et les supports d'anode 5, le métal liquide 7 et les parties poreuses d'anode 9. La figure 2b représente une structure avec anode en forme de couronne de faible épaisseur. Une multicouronne d'anodes concentriques 22 peut ainsi être disposée comme indi- qué sur la coupe horizontale suivant le plan passant par BB'. Entourant chaque anode, la cathode 24 et son écran 23 ainsi que la gachette 25 sont également en forme de couronne. La coupe verticale suivant le plan passant par AA' ne diffère pas de celle représentée sur la figure 2a. -7- Sur la structure de la figure 3, les anodes 26 sont en forme de parallélépipèdes plats dispose r no; elles sont séparées par les écrans 27. Les cathodes 28 et leur écran iso- lant 29, les gachettes 30 sont disposés suivant les génératri- ces d'un cylindre comme indiqué sur les coupes verticale sui- vant le plan passant par AA' et horizontale suivant le plan passant par BB'. La figure 4 montre une structure à plusieurs anodes superposées, chacune d'elles 31 ayant la forme d'un cylindre plat. Les cathodes 32 et leurs écrans 33 ainsi que les gachet- tes 34 sont disposés en couronnes également superposées. Une colonne centrale verticale 35 commune aux multicylindres ano- diques, permet leur alimentation en métal liquide, comme indi- qué sur les coupes verticale suivant le plan AA' et horizonta- le suivant le plan BB'. Les structures présentées sur les figures précéden- tes sont de type biplanaire, c'est-à-dire que l'anode et la cathode sont dans des plans différents et que les plasmas ca- thodiques et anodiques sont projetés dans des directions oppo- sées. Un exemple d'une autre version dite coplanaire est pré- sentée sur la figure 5; comme pour la version biplanaire, la cathode peut avoir la forme d'une couronne circulaire 36 dont l'anode 4 de petite dimension, serait située sur l'axe. Un ma- tériau isolant 37 sépare les deux électrodes et les isole jus- qu'à des tensions susceptibles de varier de quelques kilovolts à une vingtaine de kilovolts. L'isolant a pour office également d'éloigner l'émission des spots cathodiques de l'axe de façon i faciliter leur interception par un écran 38 percé en son centre d'un orifice laissant passer essentiellement et uniquement le plas- ma 18 émis par le spot anodique. La gachette 10, 11 nécessaire à la commande peut être circulaire et de même structure que dans la source bipla- naire. - 8 - Sous l'aspect fonctionnel, la structure biplanaire présente l'avantage d'être plus facile à initier (tension ano- de-cathode et courant de commande de gachette plus faibles) en raison du trajet plus court et plus direct des électrons. L'invention couvre également toutes les versions de forme d'électrode cathodique intermédiaire entre les structu- res dites biplanaires et coplanaires comme le montrent les schémas de la figure 6, représentant une structure & cathode semi-cylindrique 39 et des figures 7a et 7b représentant des snructures à cathodes tronconiques 40 et 41. REVENDTCATIONS 1. s,re d'ions à arc sous vide dont les électrodes comportent une cathode, une gachette de commande et une anode de petites dimensions, lesdites cathode et gachette présentant une structure en forme de couronne et ladite anode étant dis- posée suivant l'axe de ladite couronne, lesdites électrodes étant polarisées de telle façon qu'un premier jet de plasma émanant de ladite cathode soit formé dans l'espace anode-ca- thode, les électrons dudit plasma étant attirés sur l'anode pour en échauffer le matériau de façon contrôlée jusqu'à l'ob- tention de la température nécessaire à sa vaporisation et pour ioniser ensuite la vapeur émise afin de former un second jet de plasma émanant de l'anode et dirigés vers une électrode d'extraction convenablement polarisée, et à partir de laquelle les ions pourront être extraits, caractérisée en ce que ladite source de plasma anodique est créée à partir d'une couche de métal liquide recouvrant la surface anodique et provenant d'un réservoir communiquant avec ladite surface anodique à travers une paroi réalisée dans un matériau qui présente par rapport au métal liquide, une grande différence des températures né- cessaires à l'obtention d'une même tension de vapeur, ledit dispositif d'alimentation étant disposé de façon à ne pas être obturé par le dépôt de matériau cathodique qui peut être (ou non) de même nature que celui de l'anode et choisi de façon à ne pas perturber les caractéristiques de mouillabilité de cel- le-ci. 2. Source d'ions selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que ladite paroi séparant ledit réservoir de métal liquide de ladite surface anodique est constituée d'un maté- riau comportant de nombreux pores permettant le passage du é- tal liquide par capillarité tel que par exemple un fritté po- reux en tungstène. 3. Source d'ions selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que ladite paroi séparant ledit réservoir de métal liquide de ladite surface anodique est traversée par des fen- 2 618604 - 10 - tes contiguës permettant l'alimentation de ladite surface ano- dique par diffusion superficielle à travers un matériau fonc- tion de ses caractéristiques de mouillabilité par le métal li- quide. 4. Source d'ions selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit métal liquide est un métal liqui- de & la température ambiante et à faible tension de vapeur tel que par exemple le qalliua, le caesium, le mercure. 5. Source d'ions selon l'une des revendications 1 & 3, caractérisée en ce que ledit métal liquide est un métal liqué-. fié par chauffage du réservoir et de l'anode et à faible ten- sion de vapeur tel que par exemple l'étain, l'indium, le bis- muth, le plomb.