Brevet FR2623658A1 — publié le 19890526

DISPOSITIF FONCTIONNANT AVEC IONISATION PAR CONTACT POUR L'ELABORATION D'UN RAYON D'IONS ACCELERES La présente invention concerne un dispositif pour l'élaboration d'un rayon d'ions accélérés, recourant à l'ionisation par contact des particules considérées, telles que des atomes, sur la surface chauffée d'une électrode d'ionisation et à l'accélération des ions, -engendrés sur la surface d'ionisation par contact, sur un parcours d'accélération compris entre ladite électrode d'ionisation et une électrode d'accélération. Des dispositifs de ce genre, que l'on peut aussi appeler plus succintement des "sources thermiques d'ions superficiels" ou des "sources d'ionisation par contact", sont décrits par exemple dans l'ouvrage de R. G. Wilson et G. R. Brewer "Ion Beams", New-York 1973, en particulier aux pages 26 à 36 et 72 à 77. Ils sont basés sur le fait que lorsque des atomes neutres percutent une surface suffisamment chaude pour ces atomes ne soient pas absorbés sur ladite surfac, une partie des atomes se trouvent ionisés lorsqu'ils quittent ladite surface. Le degré d'ionisation R, c'est-à-dire le rapport entre le nombre d'ions et le nombre total des particules qui quittent la surface est déterminé par la "Loi de Saha Langmuir", selon laquelle, pour des ions positifs, le degré d'ionisation R+ est donné par R± = n+/Cne+n-) = El + K.exp(I-W/kT)]-1 (1) tandis que pour les ions négatifs le degré d'ionisation R- est donné par R- = n-/(ne+n-) = El[1 + K-exp(W-E)/kT)]-' (2) dans ces expressions: n. = nombre des ions positifs qui quittent la surface, n-- = nombre des ions négatifs qui quittent la surface, no = nombre des atomes neutres qui quittent la surface, W = travail d'extraction des électrons de la surface, I = travail d'ionisation des atomes, E = affinité électronique des atomes, T = température de la surface, k = constante de Boltzmann, K.- et K--. = facteurs statistiques, respectivement pour les ions positifs et négatifs, (pour les métaux alcalins K.+ = 2, pour les halogènes K- = 4). Si W-I > 0,4 ou bien E-W > 0,4 eV, la valeur de RF ou de R.- est voisine de 1, c'est-à-dire que presque tous les atomes qui arrivent sur la surface repartent par évaporation en tant que ions positifs ou négatifs. C'est ainsi, par exemple, que de la vapeur de césium (I=3,88 eV) arrivant sur une surface en tungstène suffisamment chaude, à une température de 1300K (W=4,54 eV) sera pour ainsi dire complètement ionisée positivement tandis qu'avec de la vapeur d'iode (E=3,12 eV) arrivant sur une surface chaude en hexaborure de lanthane (W=2,70 eV) on obtiendra une ionisation négative presque complète. Des degrés comparables d'ionisation peuvent aussi être obtenus pour les autres métaux alcalins et halogènes ainsi que pour un grand nombre d'autres atomes. Des méthodes sont connues, consistant à amener. les particules à ioniser sous forme de vapeur, soit par l'avant, sur la surface chaude de la cathode ionisante réalisée en un matériau convenable, soit par l'arrière à travers une masse frittée à base de matériau approprié et on laisse alors diffuser la vapeur à travers la face avant qui est poreuse. Les ions correspondants sont alors aspirés de la surface sous l'action d'un champ électrique, engendré entre ladite surface avant et une électrode d'accélération disposée à une certaine distance de celleci. Les densités de courant J qu'il est possible d'obtenir dans les cas s précités sont déterminés par la Loi de Child pour les charges d'espace et pour un dispositif avec des structures planes on a: J = 5,45 x 10--r V-, F / d:2 A cm: avec V = Tension d'accélération X = Nombre de masse d = Distance entre la surface ionisante et l'électrode d'accélération ou d'extraction. Dans un dispositif, connu par le brevet allemand 28 05 273 C3 pour l'élaboration d'.un rayon d'ions accélérés, travaillant avec ionisation par contact, la limitation par la charge d'espace de la densité du courant d'émission se trouve repoussée à des valeurs beaucoup plus élevées, comparativement au cas o l'on travaille avec des électrodes planes, du fait que la surface ionisante a une courbure fortement convexe, de sorte que sur ladite surface il règne un champ électrique très élevé. La densité du courant d'émission est alors limitée par la pression de vapeur de l'élément qu'il s'agit d'ioniser, qui règne entre les électrodes. En fait celle-ci doit être limitée & des valeurs telles qu'il ne puisse pas encore se produire d'amorçages électriques consécutifs & une ionisation par choc dans ladite vapeur. La présente invention évite cette limitation du fait que la vapeur qu'il s'agit d'ioniser n'arrive pas dans un espace compris entre l'électrode d'accélération et la surface chaude ionisante, fortement convexe de l'électrode d'ionisation, mais que celle-ci comporte un canal, de structure capillaire de préférence, tel qu'un forage,.et que les atomes qu'il s'agit d'ioniser arrivent à travers ce canal microscopique par l'arrière sous la forme d'une vapeur ou d'un gaz, à partir d'un réservoir de stockage, d'un four ou de quelque autre source convenable, contrairement à ce qui se produit avec le passage a travers les pores d'un masse fritée. Lors du passage à travers le forage ou le canal capillaire chauffé, les atomes sont ionisés au contact de la paroi interne et a la sortie par la bouche du canal, ils sont immédiatement attirés et accélérés sous l'effet du champ électrique intense qui règne à la pointe de l'électrode d'ionisation. La pression de vapeur qui règne dans l'intervalle d'accélération est déterminée par la faible proportion de vapeur non ionisée à la sortie du canal capillaire ainsi que par les atomes qui, de même que les ions, sont arrivés sur l'électrode d'accélération et qui ont été pulvérisés de nouveau par les ions arrivant ensuite. Pour une densité d'émission égale à celle qui est- obtenue avec les dispositifs connus précités du même genre, la pression de vapeur est sensiblement plus faible et ceci signifie d'autre part qu'en augmentant convenablement le débit de vapeur on peut atteindre une densité de courant d'émission bien plus élevée que dans les cas déjà connus, avant que l'apparition d'amorçages électriques soit à craindre. Avec les figures à l'appui on va décrire ci- dessous l'invention plus en détail, les figures représentent respectivement: Figure 1: une vue partielle Figure 2: une vue en coupe simplifiée d'une forme de réalisation préférée de la présente invention, qui est utilisée pour engendrer un rayon d'ions de césium positifs. Le dispositif représenté dans le dessin, pour l'élaboration d'un rayon d'ions de césium accélérés, comprend une électrode d'ionisation 1 avec une structure en forme de tubulure mince, allongée, en une matière caractérisée par une valeur élevée du travail d'extraction des électrons, par exemple en tantale, et une électrode d'accélération en forme de couronne disposée à une distance d, en regard de l'extrémité avant de ladite électrode d'ionisation 1. L'extrémité antérieure de l'électrode d'ionisation 1 va en s'amincissant en direction de l'électrode d'accélération 3 et forme à son extrémité une calotte 2 perforée d'un orifice capillaire dont le diamètre est faible comparativement à la distance d de l'électrode d'accéléaration 3. Le diamètre intérieur de l'électrode d'ionisation de forme tubulaire 1 décroît graduellement en allant vers la pointe, ainsi qu'on peut le voir dans la figure 1. L'extrémité avant de l'électrode d'ionisation 1 de - forme tubulaire est entourée par une cathode incandescente 6 en forme de couronne et celle-ci à son tour est entourée d'un cylindre en tôle 7 qui joue le rôle d'un écran thermique. L'extrémité de l'électrode d'ionisation- i de forme tubulaire, qui se trouve du côté opposé à celui de l'électrode d'accélération 3, débouche dans un réservoir de stockage 8 partiellement rempli de césium métal 9 et qui comprend une chemise chauffante 10 avec laquelle on peut échauffer le réservoir de stockage 8 et obtenir ainsi une valeur désirée de la pression de la vapeur de césium. Comme valeurs typiques on peut indiquer: Diamètre de la calotte d'extrémité = 0,4 mm Diamètre de l'orifice capillaire = 0,1 mm Distance d = 5 mm En fonctionnement l'extrémité antérieure de l'électrode d'ionisation (1) est échauffée par chocs d'électrons à la température nécessaire d'environ 1300K. Pour cela des électrons sont émis- par le fil incandescent de la cathode incandescente qui entoure l'orifice capillaire à. la manière d'un anneau et accélérés en direction de l'télectrode d'ionisation par un champ électrique radial de quelques kilovolts. Du réservoir de stockage chauffé 8, la vapeur de césium 4 est acheminée à travers l'électrode tubulaire - d'ionisation 1, et ladite vapeur de césium s'ionise en cours de route du fait de chocs contre la paroi intérieure chaude de l'électrode d'ionisation, plus particulièrement dans la partie capillaire antérieure de celle-ci. Entre l'électrode d'ionisation i et l'électrode d'accélération 3 est appliquée une tension de quelques kilovolts, de polarité telle que les ions Cs. qui sortent de l'orifice capillaire sont accélérés en direction de l'électrode d'accélération 3. Un rayon d'ions Cs. 5 d'une énergie de quelques kV sort par un orifice central prévu dans l'électrode d'accélération 3. Le rayon d'ions peut être focalisé au moyen d'une lentille électrostatique 11 (figure 2), dont l'électrode de tête est constituée par l'électrode d'accélération 3. L'ensemble du système est disposé sous vide dans une enceinte 12 qui n'a été que partiellement représentée dans la figure 2. Pour ne pas nuire à la clarté, on n'a pas représenté les éléments de fixation des électrodes et les traversées de courant électrique, ils peuvent être réalisés selon les méthodes classiques. La surface d'ionisation par contact peut aussi être constituée par une couche de matière convenable, qui recouvre au moins une partie de la paroi intérieure du canal tubulaire et en particulier la partie capillaire qui se trouve du côté de l'embouchure. La présente invention peut aussi être utilisée pour élaborer des ions d'éléments autres que le césium, en particulier des ions d'autres métaux alcalins. On peut aussi produire des rayons d'ions négatifs, en particulier des ions d'halogènes, si l'électrode d'ionisation ou tout au moins la paroi intérieure du capillaire est réalisée avec un matériau de forte affinité électronique tel que de l'hexaborure de lanthane. Il va de soi qu'on peut utiliser aussi d'autres systèmes de chauffage ainsi que d'autres systèmes pour obtenir les atomes à ioniser. R'PVERM CATTI0N 1. Dispositif fonctionnant avec ionisation par contact pour l'élaboration d'un rayon d'ions accélérés avec: - une source (8,9) pour les atomes à ioniser, - une électrode d'ionisaiton (1) présentant une surface appropriée pour l'ionisation des atomes, - un dispositif chauffant (6) pour l'électrode d'ionisation et, - une électrode d'accélération la surface d'ionisation par contact. - 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le canal, tout au moins dans sa partie adJacente à l'embouchure a des dimensions capillaires. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le canal, au voisinage de la pointe (2), a un diamètre de l'ordre de 0,1 mm. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'électrode d'ionisation par contact écran thermique (7) de forme tubulaire. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'électrode d'accélération (3) fait partie constitutive d'une lentille électrostatique (11). 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source pour les atomes à ioniser comprend un réservoir de stockage avec son propre dispositif chauffant (10).