Brevet FR2679066A1 — publié le 19930115

PROCEDE DE PRODUCTION D'IONS MULTICHARGES DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de production d'ions multichargés par ionisation d'un premier gaz neutre, ce premier gaz étant introduit dans L'enceinte d'une source d'ions, procédé selon lequel on introduit de plus un deuxième gaz, appelé gaz support, dans L'enceinte de la source d'ions. L'invention trouve de nombreuses applications dans le domaine biomédical et dans le domaine de la physique nucléaire pour l'équipement d'accélérateurs de particules. On connaît déjà, par le document suivant, auquel on se reportera (1) EP-A-0130907 (voir aussi la demande de brevet français nO 8310862 du 30 juin 1983), un procédé du type mentionné plus haut, dans lequel le deuxième gaz est de L'azote ou de l'oxygène. On améliore ainsi les performances de la source relativement à la production d'ions fortement chargés d'éléments Lourds, à savoir l'argon, le krypton et le xénon par exemple. Pour augmenter de façon significative la production d'ions fortement chargés, il est connu d'augmenter la densité des électrons du plasma formé dans l'enceinte par une "injection" d'électrons supplémentaires. A ce sujet, on se reportera au document (2) EP-A-0374011 (voir aussi La demande de brevet français n08816141 du 8 décembre 1988) qui décrit un dispositif dans lequel les électrons supplémentaires sont fournis par un canon à électrons ou par une électrode polarisée par rapport au plasma. La présente invention résout le problème d'une augmentation significative, par rapport au procédé décrit dans le document (1), de la production, par la source, d'ions fortement chargés. Pour résoudre ce problème, le procédé objet de l'invention utilise également une "injection" d'électrons suppLémentaires mais ces électrons supplémentaires sont produits de manière plus simple que dans Le dispositif décrit dans le document (2), à savoir par la dissociation in situ de molécules gazeuses complexes bien déterminées. De façon précise, le procédé objet de l'invention est caractérisé en ce que le deuxième gaz est constitué d'au moins l'un des gaz moléculaires du groupe comprenant l'acétylène, le propane, le peroxyde d'azote et l'oxyde azotique. Au sein du plasma créé dans l'enceinte de la source, qui peut etre une source d'ions à résonance cyclotronique électronique, les molécules du deuxième gaz sont dissociées en éléments qui s'ionisent et qui perdent donc des électrons qui sont cédés au plasma. L'opération inverse (synthèse de ces molécules) est pratiquement impossible au sein du plasma énergétique. Dans l'invention, pour ioniser des gaz lourds tels que l'argon, le krypton et le xénon, on utilise donc des gaz dont Les molécules sont complexes, tels que l'acétylène (C H ), le propane (C H ), le peroxyde 22 38 d'azote (NO ) et l'oxyde azotique (NO). 2 Ces derniers donnent des résultats sensiblement deux fois meilleurs que L'azote et l'oxygène. Ainsi, le gain est de l'ordre de 100X avec l'oxyde azotique, par rapport au procédé décrit dans le document (1). Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention - l'enceinte comprend une première entrée de gaz et une deuxième entrée de gaz, - le premier gaz et le deuxième gaz sont introduits dans L'enceinte respectivement par la première entrée et par la deuxième entrée, - cette deuxième entrée est munie d'une vanne et - on asservit cette vanne à la mesure de la pression dans l'enceinte. De préférence, la proportion, en pression partielle, du deuxième gaz dans le mélange des premier et deuxième gaz est de l'ordre de 95X : on obtient ainsi les meilleurs résultats. Dans ce cas, l'élément lourd, ou les éléments lourds, à ioniser fortement (argon, krypton, xénon) est, ou sont, alors introduit(s) dans l'enceinte de la source sous forme de traces (proportion inférieure ou égale à 5% en pression partielle). De préférence également, on introduit de plus de l'oxygène dans l'enceinte : en ajoutant de l'oxygène, dans des proportions variables, audit deuxième gaz (tel que C 2H2, C H , NO2, NO), on améliore encore Les résultats en ce qui concerne L'ionisation de gaz lourds tels que l'argon, le krypton et le xénon. Dans ce cas, il est préférable que la proportion, en pression partielle, du mélange du deuxième gaz et de l'oxygène dans le mélange du premier gaz, du deuxième gaz et de l'oxygène soit de L'ordre de 95X. A titre d'exemple, on utilise un mélange de 90X de NO et de 5X d'oxygène. Dans le mode de mise en oeuvre préféré, correspondant à l'utilisation des deux entrées distinctes et si l'on utilise en plus de l'oxygène, ce dernier peut être introduit dans l'enceinte par l'une quelconque des deux entrées. Le premier gaz peut être constitué d'au moins l'un des éléments du groupe comprenant l'argon, Le krypton et le xénon, sous forme d'atomes neutres, l'oxygène et l'azote, sous forme de molécules neutres. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ciaprès à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une source d'ions dans laquelle on met en oeuvre le procédé objet de l'invention, et - la figure 2 est un graphique qui illustre l'intérêt de ce procédé. La source schématiquement représentée sur La figure 1 est une source à résonance cyclotronique électronique qui permet la mise en oeuvre du procédé objet de L'invention. Cette source est déjà représentée et décrite dans le document (1) auquel on se reportera. La source représentée sur la figure 1 comprend : - une enceinte 1, - un injecteur 2 permettant d'introduire dans l'enceinte 1 des impulsions hyperfréquence HF et - deux entrées de gaz séparées 3 et 4. Le gaz que L'on veut ioniser fortement, par exemple l'argon, est introduit dans l'enceinte 1 par L'entrée 4. Le gaz additionnel, par exemple C H , est introduit dans l'enceinte par L'entrée 3. Dans L'enceinte 1, la pression est maintenue constante. Pour ce faire, L'entrée 3 est munie d'une électro-vanne 5 asservie à la pression mesurée dans L'enceinte 1, au moyen d'une boucle d'asservissement comprenant - un dispositif 6 de mesure de la pression dans L'enceinte 1 et - un amplificateur différentiel 7 qui compare la valeur de pression fournie par le dispositif 6 à une valeur de référence R. Le signal correspondant à la différence entre ces deux valeurs est amplifié dans l'amplificateur 7 et agit sur l'électro-vanne 5 de manière à ouvrir celle-ci lorsque la valeur de la pression dans l'enceinte est inférieure à la valeur de référence et à fermer cette électro-vanne 5 lorsque la pression dans l'enceinte est supérieure à cette valeur de référence En ce qui concerne cette régulation de pression, on pourra se reporter au document suivant : (3) FR-A-2 595 868 (voir aussi EP-A-0238397 et US-A-4780642). La vanne asservie 5 permet d'obtenir les proportions souhaitées pour les composants du mélange de gaz introduit dans l'enceinte. A titre d'exemple, la pression dans l'enceinte 1 est maintenue constante, à une valeur de l'ordre de 1 mPa, pour une source à résonance cyclotronique électronique qui fonctionne à une fréquence de 10 GHz. Dans la présente invention, la source d'ions peut fonctionner en régime continu ou en régime impulsionnel. Pour améliorer l'ionisation, on peut introduire de l'oxygène dans L'enceinte 1 par l'entrée 3 ou par l'entrée 4. Le graphique de la figure 2 illustre l'intérêt du procédé objet de L'invention vis-à-vis du procédé décrit dans le document (1) en prenant 9+ l'exemple des ions Ar Ce graphique est établi avec la source à résonance cyclotronique électronique "Caprice 1" qui est décrite dans le document suivant (4) F. Bourg, R. Geller, B. Jacquot, Nucl. Inst. and Methods, A 254 (1987), "Source d'ions lourds multichargés "CAPRICE" 10 GHz pour tous éléments métalliques et gazeux". Les conditions suivantes sont utilisées pour l'établissement du graphique - puissance de l'onde hyperfréquence injectée : 300 W, - tension d'extraction : 5 kV. En abscisses sont portés les potentiels de première ionisation Ei (exprimés en eV) des molécules ou des atomes du gaz injecté par L'entrée 3 de La source (figure 1). En ordonnées est porté le courant des ions 9+ Ar (exprimé en micro-amperes). Par rapport à L'argon pur, L'addiction 9+ d'hélium ne change rien quant au courant d'ions Ar extrait : celui-ci reste inchangé et sa valeur est prise comme référence Ref. On voit bien, sur le graphique de la figure 2, l'intérêt d'utiliser des gaz tels que C H , C H NO, NO2, C H O et (CH ) N par rapport aux gaz O et N 66 342 2 2 qui sont mentionnés dans le document (1). REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'ions multichargés par ionisation d'un premier gaz neutre, ce premier gaz étant introduit dans L'enceinte (1) d'une source d'ions, procédé selon lequel on introduit de plus un deuxième gaz dans l'enceinte (1) de La source d'ions, ce procédé étant caractérisé en ce que le deuxième gaz est constitué d'au moins l'un des gaz moléculaires du groupe comprenant l'acétylène, le propane, le peroxyde d'azote et l'oxyde azotique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que L'enceinte (1) comprend une première entrée de gaz (4) et une deuxième entrée du gaz (3), en ce que le premier gaz et le deuxième gaz sont introduits dans l'enceinte (1) respectivement par la première entrée (4) et par la deuxième entrée (3), en ce que cette deuxième entrée (3) est munie d'une vanne (5) et en ce que l'on asservit cette vanne (5) à la mesure de la pression dans l'enceinte (1). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la proportion, en pression partielle, du deuxième gaz dans Le mélange des premier et deuxième gaz est de l'ordre de 95X. 4. Procédé selon L'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on introduit de plus de l'oxygène dans l'enceinte (1). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la proportion, en pression partielle, du mélange du deuxième gaz et de l'oxygène dans le mélange du premier gaz, du deuxième gaz et de l'oxygène est de L'ordre de 95X. 6. Procédé selon la revendication 2 et l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'oxygène est introduit par L'une des première (4) et deuxième (3) entrées. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier gaz est constitué d'au moins l'un des éléments du groupe comprenant l'argon, le krypton et le xénon, sous forme d'atomes neutres, l'oxygène et l'azote, sous forme de molécules neutres. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que La source d'ions est une source d'ions à résonance cyclotronique électronique.