Brevet FR2637727A1 — publié le 19900413

DESCRIPTION TUBE NEUTRONIQUE SCELLE MUNI D'UNE SOURCE D'IONS A CONFINEMENT ELECTROSTATIQUE DES ELECTRONS. L'invention concerne un tube neutronique scellé contenant un mélange gazeux deutérium-tritium sous faible pression à partir duquel une source d'ions fournit un faisceau ionique qui, traversant une électrode d'accélération, est pro- jeté à grande énergie sur une électrode cible pour y produire une réaction de fusion entrainant une émission de neutrons. Les tubes neutroniques du même genre sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par neutrons rapi- des, thermiques épithérmiques ou froids: neutronographie, analyse par activation, analyse par spectrométrie des diffu- sions inélastiques ou des captures radiatives, diffusion des neutrons etc... L'obtention de la pleine efficacité de ces techniques'nucléaires nécessite d'avoir, pour les niveaux. d'émission correspondants, des durées de vie de tubes plus longues. La réaction de fusion d(3H, 4He)n délivrant des neutrons de 14 MeV est habituellement la plus utilisée en rai- son de sa grande section efficace pour des énergies d'ions re- lativement faibles. Toutefois, quelle que soit la réaction utilisée, le nombre de neutrons obtenu par unité de charge transitant dans le faisceau est toujours croissant au fur et à mesure que l'énergie des ions dirigés vers une cible épaisse est elle-même croissante et ceci largement au delà des éner- gies des ions obtenus dans les tubes scellés actuellement dis- ponibles et alimentés par une THT n'excédant pas 250 kV. Parmi les principaux facteurs limitatifs de la durée de vie d'un tube neutronique, l'érosion de la cible par le bombardement ionique est l'un des plus déterminants. L'érosion est fonction de la nature chimique et de la structure de la cible d'une part, de l'énergie des ions in- cidents et de leur profil de répartition en densité sur la surface d'impact d'autre part. Dans la plupart des cas, la cible est constituée par un matériau hydrurable (Titane, Scandium, Zirconium, Er- bium etc...) capable de fixer et de relâcher des quantités im- portantes d'hydrogène sans perturbation notable de sa tenue mécanique; la quantité totale fixée est fonction de la tempé- rature de la cible et de la pression d'hydrogène dans le tube. Les matériaux cibles utilisés sont déposés sous forme de cou- ches minces dont l'épaisseur est limitée par des problèmes d'adhérence de la couche sur son support. Un moyen de retarder l'érosion de la cible consiste par exemple à former la couche active absorbante d'un empilage de couches identiques isolées les unes des autres par une barrière de diffusion. L'épaisseur de chacune des couches actives est de l'ordre de la profondeur de pénétration des ions deutérium venant frapper la cible. Une autre façon de protéger la cible et donc d'-ac- croitre la durée de vie du tube consiste à agir sur le fais- ceau d'ions de manière à améliorer son profil de répartition en densité sur la surface d'impact. A courant d'ions total constant sur l'électrode cible, ce qui entraîne une émission neutronique constante, cette amélioration résultera d'une ré- partition aussi uniforme que possible de la densité de courant sur l'ensemble de la surface offerte par la cible au bombarde- ment des ions. Les tubes neutroniques scellés connus utilisent en général des sources d'ions de type Penning qui ont l'avantage d'être robustes, d'être à cathode froide (d'o une longue du- rée d'utilisation), de donner des courants de décharge impor- tants pour de faibles pressions (de l'ordre de 10 Altorr), d'avoir un rendement d'extraction élevé (de 10 à 40 %) et d'être de faibles dimensions. Ce type de source présente par contre l'inconvé- nient de nécessiter un champ magnétique de confinement des ions de l'ordre du millier de gauss qui introduit une inhomo- généité importante de densité des ions à l'intérieur de la dé- charge. De plus le système d'aimants créant ledit champ est onéreux et de poids élevé. Le but de l'invention est de procurer une source d'ions de conception plus simple, de coût et de poids réduits. A cet effet et conformément à l'invention, ladite source d'ions est à cathode froide et à confinement purement électrostatique des électrons ionisants et comporte pour ce faire une anode positionnée de façon convenable à l'intérieur d'une cavité cathodique et de faible surface collectrice vis- à-vis de ladite cavité cathodique, et dans laquelle les élec- trons émis par ladite cathode ou créés dans ladite cavité et dont la probabilité d'interception par ladite anode est très réduite, oscillent autour de celle-ci suivant des trajectoires de grande longueur permettant la création d'un gaz ionisé deu- térium-tritium à partir duquel des ions sont extraits d'un (ou des) orifice(s) d'émission pratiqué(s) dans la paroi cathodi- que faisant face à l'électrode cible au moyen d'une optique d'extraction-accélération. Ces sources d'ions électrostatiques dépourvues de champ magnétique sont de conception et de mise en oeuvre plus simples que les sources de type Penning. Les variantes les plus connues et citées à titre d'exemple non limitatif selon la forme et la position de l'anode sont: - le type "orbitron" dans lequel l'anode est constituée d'une tige cylindrique de très faible diamètre, disposée suivant l'axe du cylindre cathodique - le type "saddle-field" (ainsi nommé parce que les lignes de champ électrique sont en forme de selle de cheval) dans le- quel l'anode est un anneau de forme annulaire, par exemple torique, centré sur l'axe de la cathode et dont la section, de faibles dimensions, peut être creuse pour être parcourue par un fluide réfrigérant. La description suivante en regard des dessins anne- xés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente le schéma de principe d'un tube neutronique scellé selon l'état de l'art antérieur. La figure 2 montre les effets de l'érosion en pro- fondeur de la cible et le profil radial de densité de bombar- dement des ions. Les figures 3 et 4 représentent deux variantes de tubes neutroniques conformes à l'invention. La figure 5 représente une structure multicellulai- re. Le schéma de la figure 1 montre les principaux élé- ments de base d'un tube neutronique scellé 11 renfermant un mélange gazeux sous faible pression à ioniser tel que deuté- rium-tritium et qui comporte une source d'ions 1 et une élec- trode d'accélération 2 entre lesquelles existe une différence de potentiel très élevée permettant l'extraction et l'accélé- ration du faisteau d'ions 3 et sa projection sur l'électrode cible 4 o s'effectue la réaction de fusion entraînant une émission de neutrons à 14 MeV par exemple. La source d'ions 1 solidaire d'un isolateur 5 pour le passage du connecteur d'alimentation en THT (non représen- té) est une source de type Penning par exemple, constituée d'une anode cylindrique 6, d'une structure cathodique 7 à la- quelle est incorporé un aimant 8 à champ magnétique axial qui confine le gaz ionisé 9 aux alentours de l'axe du cylindre d'anode et dont les lignes de force 10 accusent une certaine divergence. Un canal d'émission des ions 12 est pratiqué dans ladite structure cathodique en vis-à-vis de l'anode. Les schémas de la figure 2 représentent les effets de l'érosion sur la cible au fur et à mesure que s'accentue le phénomène. La figure 2a montre le profil de la densité J de bombardement des ions suivant une direction radiale quelcon- que. Or, à partir du point d'impact 0 de l'axe central du faisceau sur la surface de l'électrode cible pour une optique ionique standard à une seule électrode. La forme de ce profil met en valeur le caractère inhomogène de ce faisceau dont la densité très élevée dans la partie centrale décroît rapidement lorsqu'on s'en éloigne. Sur la figure 2b l'érosion s'effectue en fonction de la densité de bombardement et toute la couche de matériau hydrurable d'épaisseur e déposée sur un substrat S est saturée en mélange deutérium-tritium. La profondeur de pénétration des ions énergétiques deutérium-tritium représentée en traits pointillés s'effectue sur une profondeur 11 fonction de cette énergie. Sur la figure 2c, l'érosion de la couche est telle que la profondeur de pénétration 12 est supérieure à l'épais- seur e dans la partie la plus bombardée; une partie des ions incidents s'implante dans le substrat et très rapidement les atomes de deutérium et de tritium sont en sursaturation. Sur la figure 2d, les atomes de deutérium et de tritium se sont rassemblés pour donner des bulles qui, en éclatant ont formé des cratères et accru très rapidement l'érosion de la cible sur la profondeur 13. Ce dernier processus précède de peu la fin de vie du tube en entraînant soit un accroissement drastique des cla- quages (présence de microparticules résultant des éclatements de bulles), soit une pollution de la surface de la cible par les atomes pulvérisés absorbant l'énergie des ions incidents. Sur les figures 3, 4 et 5, les éléments identiques sont indiqués par les mêmes chiffres de référence. La variante de la figure 3 comporte une source d'ions 13 à confinement de type électrostatique constituée d'une anode 14, d'une cathode 15 et dont les ions sont proje- tés sur une cible 16 par l'intermédiaire d'une électrode d'ac- célération 17 convenablement polarisée. La cathode 15 a la forme d'une cavité cylindrique polarisée à + 250 kV par rapport à la cible 16. L'anode 14 disposée suivant l'axe de cette cavité et traversant la struc- ture cathodique par les passages isolants 18 est constituée d'une tige cylindrique de très faible diamètre portée à un po- tentiel positif de 5 à 10 kV par rapport à la cathode. Les électrons en provenance de la cathode ou créés en volume de la cavité cathodique sont accélérés par le champ électrique créé par l'anode, mais celle-ci étant de très fai- bles dimensions, la probabilité d'interception d'un électron tel que e1 est très réduite de telle sorte que la majorité des électrons qui manquent ainsi l'anode tels que e2 vont effec- tuer autour de celle-ci des trajectoires de grande longueur au cours desquelles ils vont ioniser le mélange gazeux deutérium- tritium renfermé sous faible pression dans le tube neutronique et former ainsi un gaz ionisé. Les ions sont extraits de ce gaz ionisé par des orifices d'émission 19 pratiqués dans la paroi de cathode et à partir desquels les faisceaux ioniques 22 sont projetés à grande énergie sur la cible 16 au moyen de l'électrode d'accé- lération 17. Cette structure axiale de source est dite de type "orbitron". La figure 4 représente une autre variante de tube neutronique muni d'une source d'ions 20 toujours à confinement de type électrostatique mais avec une anode torique 21 permet- tant une extraction axiale des ions. Dans ce type de source la cathode 15 se présente comme précédemment sous l'aspect d'une cavité cylindrique dont l'axe de symétrie est également celui de l'anode torique 21 à très faible section pouvant être creuse pour être parcourue par un fluide réfrigérant et dont la position et les dimen- sions devront être optimisées. Les ions sont extraits à partir de l'origice 19 pratiqué dans la cathode, jouant ainsi le rôle d'électrode d'émission, au moyen de l'électrode d'accélération 17 portée ainsi que la cible au potentiel 0. Les orifices d'émission sont pratiqués dans les ré- gions homogènes de la décharge afin d'extraire un faisceau d'ions homogène. Dans ces conditions le (ou les) faisceau(x) d'ions bombardant la cible est (sont) homogène(s) et la durée de vie du tube est ainsi augmentée. Le principe du fonctionnement est qualitativement le même que celui du dispositif de la figure 3 à anode axiale. La figure 5 représente en coupe une source d'ions à structure multicellulaire 23 comprenant un agencement de sour- ces élémentaires de type anode torique tels que 21a, 21b et 21c et des orifices d'émission correspondants tels que 19a, 19b et 19c. Les tores anodiques sont mis en communication par des liaisons telles que 24a, 24b traversant les parois catho- diques. Par rapport à une source d'ions à confinement ma- gnétique, une source à confinement électrostatique offre les avantages de présenter un poids plus faible, une mise en oeu- vre simplifiée et un coût réduit, pour une durée de vie compa- rable, les deux types de structure étant également robustes et exploitant tous deux le principe de'la cathode froide, assu- rant une très bonne longévité. Ce type de structure n'a pas jusqu'à ce jour fait l'objet d'étude d'optimisation aussi ex- haustive que la structure magnétisée de type Penning, de telle sorte qu'actuellement le rendement d'émission est un peu moins favorable que celui d'une telle structure Penning, de même en- combrement, mais d'une part le poids et le prix de revient sont à mettre en balance, et d'autre part une optimisation des dimensions, forme et position respectives de l'anode et de la chambre cathodique laisse la voie ouverte à une réelle compé- titivité de cette structure. REVENDICATIONS 1. Tube neutronique scellé contenant un mélange gazeux deutérium-tritium sous faible pression à partir duquel une source d'ions fournit un faisceau ionique qui, traversant une électrode d'accélération, est projeté à grande énergie sur une électrode cible pour y produire une réaction de fusion entraî- nant une émission de neutrons, caractérisé en ce que ladite source d'ions est à cathode froide et à confinement purement électrostatique des électrons ionisants et comporte pour ce faire une anode positionnée de façon convenable à l'intérieur d'une cavité cathodique et de faible surface collectrice vis- à-vis de ladite cavité cathodique, et dans laquelle les élec- trons émis par ladite cathode ou créés dans ladite cavité et dont la probabilité d'interception par ladite anode est très réduite, oscillent autour de celle-ci suivant des trajectoires de grande longueur permettant la création d'un gaz ionisé deu- térium-tritium à partir duquel des ions sont extraits d'un (ou des) orifice(s) d'émission pratiqué(s) dans la paroi cathodi- que faisant face à l'électrode cible au moyen d'une optique d'extraction-accélération. 2. Tube neutronique selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite anode est disposée suivant l'axe de la- dite cavité cathodique et/ou à symétrie de révolution autour dudit axe. 3. Tube neutronique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la source d'ions est de type multicellu- laire.