Brevet FR2647593A1 — publié le 19901130

La présente invention se rapporte à un piège pour ions destiné à un système injecteur d'électrons afin d'éviter la dérive des ions positifs dans une zone du canon à élec- tron, o ces ions peuvent être accélérés vers et venir frapper contre une cathode dans le canon à électrons. En fonctionnement, un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons produit des ions sur son trajet à partir des gaz résiduels dans le dispositif lorsque les molécules des gaz sont frappées par le faisceau d'électrons. Des ions positifs produits par le faisceau d'électrons peuvent dériver dans la zone d'électrode du canon, o ils sont vraisemblablement focalisés par la différence de potentiel entre les électrodes du canon, puis accélérés vers la cathode pour venir frapper cette dernière. La vie d'une cathode dans un système injecteur d'électrons quelconque est diminuée par les effets d'évapora- tion et de vaporisation. Si la cathode est bombardée avec des ions à niveau d'énergie élevé, le matériau constitutif de la cathode se vaporise en créant un endommagement qui limite la vie opérationnelle efficace de la cathode. En conséquence, des pièges pour ions ont été utilisés dans de nombreux systèmes afin de capturer les ions avant qu'ils ne pénètrent dans une zone d'accélération des électrodes du canon. Ceci peut être réalisé en disposant une plaque sur le trajet des ions de sorte que les ions viennent en collision avec la plaque plutôt qu'ils ne dérivent dans la zone d'électrode du canon. Dans des applications o les électrons doivent se déplacer sur le même trajet que les ions qu'ils ont générés, mais dans la direction opposée, les ions doivent être déviés vers la plaque par d'autres moyens, par exemple de manière électro-statique. Le brevet US 4.743.794 décrit un type de piège pour ions destiné à un tube à rayon cathodique. Dans ce type de tube, une cathode à semi-conducteur présente une zone annulaire émettrice, entourant un axe central du tube. Une première grille d'électrode, adjacente à la cathode, présente une ouverture qui se prolonge suffisamment loin de l'axe pour laisser passer les électrons émis à partir de la zone annulaire. Une autre électrode, à savoir une grille écran, est disposée plus loin de la cathode et est mise en fonction- nement à un potentiel plus élevé que la première électrode, en réalisant ainsi une lentille positive qui fait converger le faisceau annulaire d'électrons selon une convergence aux environs de la zone d'une ouverture dans la grille écran à travers laquelle passe le faisceau d'électrons. L'ouverture dans la grille écran présente un diamètre plus petit que la zone annulaire émettrice de sorte que des ions positifs qui sont produits au voisinage de l'axe et passent à travers l'ouverture de la grille écran seront accélérés parallèlement à l'axe et viendront frapper la zone centrale de la cathode. Ils ne frapperont pas la région émettrice annulaire. En outre, des ions positifs qui sont produits beaucoup plus loin de l'axe seront accélérés au-delà de l'axe et de l'ouverture de la grille écran. Cette conception évite à la majorité des électrons positifs qui sont produits dans le tube de venir frapper la région annulaire émettrice de la cathode. Les seuls ions positifs qui viendront frapper la zone annulaire émettrice sont ceux produits dans une petite zone entre la cathode et la première électrode. Toutefois, ces ions particuliers ont un niveau d'énergie relativement faible de sorte que de très faibles dommages se produisent dans la zone émettrice. Le brevet US n 3.586.901 décrit un autre type de piège à ions destiné à diminuer la vitesse à laquelle les ions positifs bombardent les cathodes du canon à électrons. Ce piège à ions particulier renferme une paire d'anodes en titane en tandem, faiblement espacées, et comportant des ouvertures à travers lesquelles le faisceau d'électron provenant de la cathode passe. L'anode la plus proche de la cathode présente une ouverture plus petite et est mise en fonctionnement à un potentiel positif plus élevé par rapport à la cathode que l'autre anode. Ceci crée une rampe de tension et chaque ion positif formé à l'extérieur de la zone entre la cathode et les anodes devra surmonter cette rampe afin d'être attiré par la cathode. Le brevet US n 4.720.832 décrit un autre type de dispositif destiné à éviter aux ions des impuretés de contaminer une fenêtre optique dans un laser. Dans ce brevet US, le dispositif comporte, de chaque côté de l'axe optique, des paires d'aimants qui appliquent des champs magnétiques aux particules chargées se déplaçant sur l'axe vers la fenêtre de façon à les écarter de l'axe. Un certain nombre de disques annulaires, présentant des ouvertures le long de l'axe, sont espacés des aimants de façon que les particules chargées déviées viennent se déposer sur les disques annu- laires. Un objet de la présente invention est de fournir un piège à ions, perfectionné et efficace, afin d'éviter que des ions produits par un faisceau d'électrons dans un système injecteur d'électrons ne pénètre dans la zone d'accélération d'un canon à électrons du système. Un autre objet de l'invention est de réaliser un piège à ions qui peut être auto-excité de façon efficace par le faisceau d'électrons passant à travers lui. Encore un autre objet de l'invention est de réaliser un piège à ions qui soit capable de capturer une large gamme d'ions à faible niveau d'énergie. Selon la présente invention, le piège à ions est constitué d'au moins deux éléments qui sont sous la forme d'un secteur de cylindre, les éléments étant espacés les uns des autres et formant conjointement une forme cylindrique, chaque élément présentant des plaques d'extrémité et un certain nombre d'ailettes se prolongeant vers l'intérieur de façon sensiblement parallèle aux plaques d'extrémité vers la zone centrale de la forme cylindrique, un évidement sous la forme d'un secteur circulaire étant ménagé dans les plaques d'extrémité et les ailettes adjacentes à ladite zone centrale en formant un perçage central à travers lequel passe un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons, les éléments étant électriquement conducteurs et fixés à une enveloppe extérieure d'un élément isolant, tandis qu'un conducteur est raccordé électriquement à chaque élément pour maintenir cet élément à un potentiel prédéterminé. Dans une forme préférée de réalisation de l'inven- tion, le perçage central a sensiblement le même diamètre que le faisceau d'électrons. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le nombre d'éléments est de deux, chacun d'entre eux présentant une structure semi-cylindrique. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le nombre des éléments est de quatre, chacun d'entre eux présentant la forme d'un quart de cylindre d'une structure cylindrique dans laquelle la tension de chaque secteur est maintenue à un potentiel différent. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, suivante, en référence au dessin annexé dont la figure unique représente un schéma d'une forme de réalisa- tion préférée d'un dispositif à faisceau d'électrons compor- tant un piège à ions perfectionné selon la présente inven- tion. Dans le dispositif représenté sur la Figure 1, un faisceau d'électrons est produit par une cathode 1 et accéléré par une anode 2 le long d'un axe médian 12 vers un accélérateur 5. Le faisceau d'électrons est focalisé par des bobines 3 et 4, le piège à ions étant disposé entre ces bobines. Le piège à ions est constitué de deux éléments semi- cylindriques 10 et 11 qui sont espacés l'un de l'autre et isolés l'un de l'autre. Ces éléments semi-cylindriques 10 et 11 présentent des ouvertures centrales semi-circulaires sur leurs côtés se faisant face, ces ouvertures formant un perçage central qui entoure l'axe médian 12 le long duquel passe le faisceau d'électrons. L'élément 10 est fixé au support 15 par une entretoise isolante en céramique 6 tandis que l'élément 11 est fixé au support 15 par une entretoise isolante en céramique 7. Le support peut faire partie de l'enveloppe extérieure du dispositif. Chaque élément semi-cylindrique est constitué de titane et présente un certain nombre d'ailettes s'étendant vers l'intérieur afin de réaliser une chicane. L'élément 11 présente une plaque d'extrémité 21 qui est la plus rapprochée de la cathode et une autre plaque d'extrémité 25 à son extrémité opposée. Des ailettes se prolongeant vers l'intérieur 22, 23 et 24 sont disposées entre les plaques d'extrémité 21 et 25. D'une manière similaire, l'élément 10 présente des plaques d'extrémité 21' et 25' et des ailettes intermédiaires 22', 23' et 24'. Chacune des ailettes et des plaques sont pourvues sur leur bord interne d'un évidement central semi-circulaire qui coopère conjointement pour former ledit perçage central. Les évidements semi-circulaires 16, 16', 17 et 17', dans la plaque d'extrémité 21 (21') et l'ailette adjacente 22 (22') sont de la même dimension et présentent des bords plats internes qui sont parallèles à l'axe. Toutefois, l'ailette adjacente 23 (23') présente un évidement central légèrement plus grand 18 (18'), l'ailette adjacente 24 (24') présentant un évidement encore légèrement plus grand 19 (19') tandis que l'évidement central 20 (20') de la plaque d'extrémité 25 (25') est encore plus grand. Ces évidements centraux mention- nés en dernier ne constituent pas un perçage central cylin- drique, comme le font les évidements référencés 21 (21') et 22 (22'), mais forment un perçage central qui présente une forme légèrement conique. La base de la forme conique est disposée en une position qui est la plus éloignée de la cathode. Les bords internes des ouvertures dans les ailettes 23 (23'), 24 (24') et des plaques d'extrémité 25 (25') sont inclinées de façon qu'elles soient parallèles à la surface de la forme conique qui présente une conicité d'environ 7 . Le diamètre interne du perçage central ménagé dans les plaques d'extrémité 21 (21') et de l'ailette 22 (22') est dimensionné de façon qu'il se produise un léger amincissement périphérique du faisceau. Les éléments 10 et 11 sont isolés par des isolateurs 6 et 7, respectivement. Les éléments 10 et 11 seront chargés par des électrons du faisceau du fait de l'amincissement périphérique de celui-ci. Pour maintenir l'élément piège 10 à environ - 1500 volts, une résistance de fuite et un éclateur appropriés sont raccordés entre un élément 10 et la terre par un conducteur électrique 8. Lorsque l'on supprime le faisceau, l'élément 10 se déchargera lentement par la résistance de fuite et restera fonctionnel à un certain degré pendant un certain temps. De ce fait, une charge négative étant présente sur l'élément 10, les ions positifs 30 qui dérivent vers la cathode 1 auront leur trajectoire modifiée comme représenté sur la figure du dessin. Le second élément 11 du piège peut être mis à la terre par le conducteur 9 ou par l'intermédiaire d'une seconde résistance de fuite et d'un second éclateur si l'on désire maintenir l'élément 11 à un certain potentiel, par exemple - 200 volts. Dans ce dernier cas, des ions positifs qui viennent au voisinage immédiat du second élément 11 viendront également en collision avec l'une des chicanes en titane de l'élément 11. Les conducteurs 8 et 9 sont électri- quement isolés du support 15 par des isolateurs 26 et 27, respectivement. Le piège à ions peut être également divisé en un nombre d'éléments supérieur à deux. Par exemple, le piège à ions peut être constitué de quatre éléments en forme de quart de cylindre qui peuvent être soumis à différents potentiels. Ceci se traduira par une gamme plus importante d'ions à bas niveau d'énergie qui pourront être piégés. Le diamètre hors tout du perçage et le piège à ions sont conçus pour former conjointement un stade unique de système différentiel de pompage. Le perçage d'entrée pour le faisceau d'électrons peut être étudié soigneusement pour s'adapter au diamètre du faisceau d'électrons particulier. Toutefois, le degré d'amincissement périphérique du faisceau d'électrons par la plaque d'extrémité 21 et l'ailette 22 peut être réglé en utilisant la bobine de focalisation 3. Lorsque l'on met en oeuvre un système dans lequel l'amincissement périphérique du faisceau n'est pas désiré, une alimentation électrique sous tension élevée peut être appliquée au conducteur 8 pour maintenir -le potentiel nécessaire sur l'élément 10. Des pompes à ions 40 et 41 sont situées au voisinage de la cathode et aident à maintenir le nombre de molécules de gaz en cet endroit à une faible valeur. Il est clair que différentes modifications peuvent être apportées à la forme de réalisation décrite ci-dessus, sans sortir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un piège à ions destiné à un générateur de faisceau d'électrons, comportant au moins deux éléments électriquement conducteurs (10, 11) qui présentent la forme d'un secteur cylindrique, ces éléments étant espacés l'un de' l'autre et formant conjointement une forme cylindrique, chaque élément présentant des plaques d'extrémité (21, 25; 21', 25') et un certain nombre d'ailettes (22, 23, 24; 22', 23', 24') se prolongeant vers l'intérieur de façon pratique- ment parallèle aux plaques d'extrémité jusqu'à la zone centrale de la forme cylindrique, un évidement (16, 16', 17, 17') présentant la forme d'un secteur circulaire étant ménagé dans chacune des plaques d'extrémité (21, 21') et des ailettes (22, 22') adjacentes à ladite zone centrale de façon à former un perçage central (18, 18') à travers lequel un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons passe, les éléments (10, 11) étant fixes à une enveloppe externe (15) par des éléments isolants (6, 7), un conducteur (8) étant électriquement raccordé à chaque élément pour maintenir cet élément à un potentiel prédéterminé. 2. Piège à ions tel que défini dans la revendication 1, dans lequel les plaques d'extrémité (21, 21') les plus proches du canon à électrons et les ailettes (22, 22') adjacentes à ces plaques d'extrémité présentent un évidement de dimension identique en formant un perçage central cylin- drique, les évidements dans les autres ailettes (23, 24; 23', 24') et les autres plaques d'extrémité (25, 25') augmentant légèrement en dimension, le plus petit étant le plus proche du canon à électrons et l'évidement de dimension la plus importante se trouvant dans les plaques d'extrémité (25, 25') qui sont les plus éloignées du canon à électrons en formant un perçage conique central présentant une légère conicité, le perçage conique central possédant une base située sur les plaques d'extrémité qui sont les plus éloi- gnées du canon à électrons. 3. Piège à ions tel que défini dans la revendication 2, dans lequel le perçage conique central présente une conicité d'environ 7 . 4. Piège à ions tel que défini dans la revendication 3, dans lequel les bords internes formés par des évidements dans les plaques d'extrémité (21, 21') les plus proches du canon à électrons et les ailettes adjacentes (22, 22') sont parallèles à l'axe central et les bords internes formés par les évidements dans les autres ailettes (23, 24; 23', 24') et les autres plaques d'extrémité (25, 25') sont inclinées de façon à être parallèles audit cône. 5. Piège à ions tel que défini dans la revendication 4, dans lequel le perçage cylindrique présente un diamètre légèrement plus petit que le faisceau à électrons en cet endroit de sorte que les bords externes du faisceau frottent contre les bords internes pour charger les éléments, le conducteur à au moins un élément étant mis par une résistance de fuite et d'un éclateur à la terre afin de maintenir cet élément à un potentiel prédéterminé. 6. Piège à ions tel que défini dans la revendication 4, dans lequel le perçage cylindrique présente un diamètre légèrement plus important que celui du faisceau à électrons en cet endroit et le conducteur aboutissant à au moins un élément est raccordé à une source de tension élevée pour maintenir l'élément associé à une tension prédéterminée. 7. Piège à ions tel que défini dans la revendication , dans lequel les éléments comportant les plaques d'extré- mité et les ailettes sont constitués en titane. 8. Piège à ions tel que défini dans la revendication 6, dans lequel les éléments constituant les plaques d'extré- mité et les ailettes sont constitués en titane. 9. Piège à ions tel que défini dans la revendication , dans lequel lesdits éléments sont au nombre de deux et les éléments sont semi-cylindriques. 10. Piège à ions tel que défini dans la revendica- tion 5, dans lequel lesdits éléments sont au nombre de quatre et les éléments présentent la forme de quart de cylindre, les conducteurs aboutissant aux éléments étant maintenus à des potentiels différents prédéterminés. 11. Piège à ions tel que défini dans la revendica- tion 5, dans lequel le conducteur aboutissant à au moins l'un ou l'autre des éléments est mis à la terre. 12. Piège à ions tel que défini dans la revendica- tion 6, dans lequel lesdits éléments sont au nombre de deux et sont de forme semi-cylindrique. 13. Piège à ions tel que défini dans la revendica- tion 6, dans lequel lesdits éléments sont au nombre de quatre et présentent la forme de quart de cylindre, les conducteurs conduisant aux éléments étant maintenus à des potentiels différents prédéterminés. 14. Piège à ions tel que défini dans la revendica- tion 6, dans lequel le conducteur aboutissant à au moins l'un des autres éléments est mis à la terre.