Brevet FR2637723A1 — publié le 19900413

DESCRIPTION DISPOSITIF D'EXTRACTION ET D'ACCELERATION DES IONS DANS UN TU- BE NEUTRONIQUE SCELLE A HAUT FLUX AVEC ADJONCTION D'UNE ELEC- TRODE AUXILIAIRE DE PREACCELERATION. L'invention concerne un dispositif d'extraction et d'accélération des ions d'un tube neutronique scellé à haut flux dans lequel une source d'ions fournit à partir d'un gaz ionisé un faisceau ionique extrait et accéléré à grande éner- gie au moyen d'une électrode d'accélération et qui, projeté sur une électrode cible y produit une réaction de fusion en- traînant une émission de neutrons fonction de la valeur élevée de différence de potentiel existant entre ladite source et la- dite électrode cible. Les tubes neutroniques du même genre sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par neutrons rapi- des, thermiques épithermiques 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 techni- ques 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 du- rée 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 tu- be. Les matériaux cibles utilisés sont déposés sous forme de couches 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- croître 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 la cible, ce qui entraîne une émission neutroni- que constante, cette amélioration résultera d'une répartition aussi uniforme que possible de la densité de courant sur l'en- semble de la surface offerte par la cible au bombardement des ions. L'une des causes principales de l'inhomogénéité du profil de densité de bombardement ionique découle de la gamme des tensions élevées (comprises entre 100 et 400 kV) qu'il faut appliquer entre les électrodes du tube pour obtenir un haut rendement de la production des neutrons de 14 MeV. L'ap- plication de ces fortes tensions à l'extraction des ions et ensuite à leur accélération au moyen d'optiques ioniques selon l'état de l'art, nécessite au niveau de la zone d'émission de la source, la mise en oeuvre soit d'une grille soit d'un canal profond limitant la pénétration du champ électrique à l'inté- rieur de la source d'ions. Une grille de conception classique ne peut être utilisée en raison des contraintes thermiques, et la structure des lignes équipotentielles pénétrant à l'intérieur d'un canal d'émission profond entraîne un défaut d'homogénéité important du faisceau. Par suite des aberrations qui en résultent, la zone d'interface entre le gaz ionisé et le faisceau ionique qui en est extrait présente alors une surface concave à rayon de courbure variable qui rend le faisceau émergent de la sour- ce convergent mais non laminaire de type coeur plus halot. Il en résulte un facteur de surdensité à l'impact de l'axe du faisceau sur la cible. Le but de l'invention est de procurer un moyen de modifier la forme des équipotentielles à l'intérieur du canal, de façon à pallier le défaut d'homogénéité précité. A cet effet et conformément à l'invention, ledit dispositif comporte de plus une électrode d'extraction-préac- célération disposée entre ladite source d'ions et ladite élec- trode d'accélération-et polarisée à une valeur intermédiaire entre celle de la source d'ions et celle de l'électrode d'ac- célération de façon à découpler la fonction extraction des ions de la fonction accélération des ions et obtenir ainsi que l'interface gaz ionisé-faisceau d'ions ait une forme maîtrisée variant de la planéité idéale à une légère courbure de rayon sensiblement constant, minimisant les aberrations de sphérici- té et rendant ledit faisceau sensiblement laminaire. En pratique, pour obtenir des courants extraits suffisamment importants, il est nécessaire d'avoir des canaux d'émission assez ouverts; l'électrode d'extraction-préaccélé- ration devra donc avoir des orifices au moins équivalents. Afin de lui conserver son efficacité d'écran en tant que fixa- tion des équipotentielles dans les espaces d'extraction et d'accélération, plusieurs réalisations données ci-après à ti- tre d'exemples non limitatifs sont possibles. - Les orifices de l'électrode d'extraction-préaccélé- ration sont munis de grilles à grande transparence et à for- te épaisseur. L'orientation de la grande dimension de la section pleine de ladite grille est choisie de telle façon qu'elle soit parallèle au faisceau. Les matériaux utilisés sont réfractaires, à faible pulvérisation sous bombardement ionique et à bonne conductibilité thermique (molybdène, tungstène, carbone pyrolitique...). - Les orifices d'émission de la source d'ions pour une même source sont multiples. Les orifices de l'électrode d'extraction-préaccélération sont du même ordre de grandeur en dimensions et on obtient ainsi un ensemble multifais- ceaux, sans interception des ions: la faible dimension des orifices de l'électrode d'extraction-préaccélération permet comme pour une grille de faire écran à la pénétration du po- tentiel. 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. La figure 3 représente le schéma de principe du dispositif d'extraction et d'accélération de l'invention. La figure 4 représente schématiquement une variante du système d'extraction de l'invention avec l'électrode d'ex- traction-préaccélération munie d'une grille. La figure 5 représente schématiquement une autre variante du système d'extraction et d'accélération de l'inven- tion avec plusieurs orifices d'extraction alignés sur des ori- fices correspondants pratiqués dans l'électrode d'extraction- préaccélération. Sur ces figures, les éléments identiques seront in- diqués par les mêmes chiffres de référence. 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 faisceau 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 I 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 quelconque 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 lors- qu'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. Dans la source d'ions 1 de type Penning représentée sur la figure 1, l'anode cylindrique 6 est portée à un poten- tiel supérieur de l'ordre de 4 kV à celui de la cathode 7 por- tée elle-même à une très haute tension de 250 kV par exemple, positive par rapport à l'enveloppe du tube. Les ions du plasma sont extraits de la source par l'électrode d'extraction-accélération 2 portée au potentiel O de la masse, à travers le canal d'émission 12 pratiqué dans la cathode qui joue ainsi le rôle d'électrode d'émission. Le faisceau ionique 3 ainsi formé bombarde la cible 4 mise égale- ment à la masse. La différence de potentiel élevée entre les élec- trodes d'émission et d'extraction-accélération provoque une forte pénétration des équipotentielles à l'intérieur de l'ori- fice d'émission 12. Le ménisque d'émission à l'interface gaz ioniséfaisceau d'ions se présente alors sous l'aspect d'une surface concave à rayon de courbure locale variable. Il en ré- sulte des aberrations au niveau de l'espace d'extraction des ions du faisceau, telles que l'ensemble des ions ne focalisent pas tous en un même point sur l'axe du faisceau, mais en une succession de points étalés sur une certaine plage Lf, ce qui entraîne l'inhomogénéité du bombardement de la cible. Pour éliminer cette cause d'inhomogénéité du fais- ceau ionique, l'idée de l'invention schématisée sur la figure 3 consiste à interposer entre la source 1 et l'électrode d'ac- célération 2 une électrode d'extraction-préaccélération 13 portée à un potentiel voisin de celui de l'électrode d'émis- sion, par exemple de +235 kV. Ainsi la faible différence de potentiel de 15 kV entre les deux électrodes tend à atténuer fortement et même à éliminer l'effet de pénétration des équi- potentielles dans les orifices d'émission. Les ions sont alors extraits suivant une direction parallèle à l'axe du faisceau c'est-à-dire perpendiculaire aux équipotentielles formant théoriquement des surfaces quasiment planes et parallèles en- tre les électrodes. Il en résulte une forme plane ou légère- ment sphérique du ménisque d'émission à l'interface gaz ioni- sé-faisceau d'ions. Le faisceau issu de cet interface est la- minaire, c'est-à-dire qu'en tout point de son volume il n'est transmis qu'une seule trajectoire. Ce caractère de laminarité est conservé lorsqu'il est focalisé sous l'effet de l'écart de potentiel élevé entre les électrodes d'extraction-préaccéléra- tion 13 et d'accélération 2; il en est de même lors de son impact sur la cible. Plus généralement, le parallélisme du faisceau exi- ge que la quantité d'ions que la source peut délivrer soit à peu près équivalente à la quantité d'ions que peut extraire et accélérer dans ces conditions l'optique ionique elle-même constituée par les électrodes. L'ensemble des deux éléments source d'ions-optique ionique doit être convenablement adapté mutuellement, selon les lois physiques bien connues. Une telle condition d'adaptation entraine pour les courants usuels dis- ponibles une différence de potentiel de quelques dizaines de kV entre l'électrode d'extraction-préaccélération et la sour- ce, pour des tensions d'accélération supérieures à 200 kV. Cette condition idéale ne peut être réalisée si l'orifice d'émission est trop large, ce qui est une nécessité impérative dans les tubes neutroniques pour obtenir des cou- rants suffisamment élevés. En effet, pour des diamètres de canaux de l'ordre de 1 à 2 cm pratiqués dans les électrodes d'émission et d'extraction-préaccélération, cette dernière ne remplit plus son efficacité d'écran vis-à-vis du champ élec- trique d'accélération à proximité de sa zone d'ouverture et son effet sur le faisceau extrait de la source se trouve donc très atténué. Pour pallier cet inconvénient, diverses solu- tions sont envisageables. On peut par exemple comme indiqué sur la figure 4 munir d'une grille 14 l'électrode d'extraction-préaccéléra- tion 13 afin d'obtenir un effet d'écran électrostatique. Mais sous l'action du bombardement des ions, cette grille va s'échauffer d'o la nécessité de lui donner une forte épais- seur pour améliorer sa conductibilité thermique et de la réa- liser en un matériau réfractaire. La section pleine de la grille sera orientée de façon à minimiser l'interception des ions et par conséquent sera parallèle au faisceau. Une autre solution schématisée sur la figure 5 con- siste à disposer de multiples orifices d'émission 15 de quel- ques millimètres de diamètre unitaire au niveau de la source d'ions 1 et à les aligner avec des orifices correspondants 16 pratiqués dans l'électrode d'extraction-préaccélération 13. On évite ainsi l'interception des ions par cette électrode et donc son échauffement tout en conservant le bénéfice de l'ef- fet d'écran. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'extraction et d'accélération des ions d'un tube neutronique scellé à haut flux dans lequel une sour- ce d'ions fournit à partir d'un gaz ionisé un faisceau ionique extrait et accéléré à grande énergie au moyen d'une électrode d'accélération et qui, projeté sur une électrode cible y pro- duit une réaction de fusion entraînant une émission de neu- trons fonction de la valeur élevée de différence de potentiel existant entre ladite source et ladite électrode cible, carac- térisé en ce qu'il comporte de plus une électrode d'extrac- tion-préaccélération disposée entre ladite source d'ions et ladite électrode d'accélération et polarisée à une valeur in- termédiaire entre celle de la source d'ions et celle de l'électrode d'accélération de façon à découpler la fonction extraction des ions de la fonction accélération des ions et obtenir ainsi que l'interface gaz ionisé-faisceau d'ions ait une forme maîtrisée variant de la planéité idéale à une légère courbure de rayon sensiblement constant, minimisant les aber- rations de sphéricité et rendant ledit faisceau sensiblement laminaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode d'extraction-préaccélération est munie d'une grille à grande transparence et à forte épaisseur, l'orientation de la section pleine de ladite grille étant choisie parallèle au faisceau. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les matériaux utilisés pour ladite grille sont des ma- tériaux à faible pulvérisation sous bombardement ionique et à bonne conductibilité thermique tels que, à titre d'exemple non limitatif, le molybdène, le tungstène, le carbone pyrolitique. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que ladite source d'ions est munie d'orifices d'émission multiples et alignés sur des orifices correspon- dants pratiqués dans l'électrode d'extraction-préaccélération.