Brevet FR2981499A1 — publié le 20130419

La présente invention concerne une sonde en champs électrique et magnétique croisés, encore appelée sonde ExB ou filtre de Wien. Une telle sonde est un outil qui permet de détecter des ions en fonction de leur vitesse. Il existe de nombreuses publications relatives aux sondes ExB, par exemple 5 US 4 019 989, US 4 789 787, US 6 452 169 et US 2008/0142727. Quels que soient l'architecture, la géométrie et l'assemblage des composants de la sonde, le principe physique mis en oeuvre reste inchangé. Il s'agit, de la dérive d'une particule chargée dans une région de l'espace où règne un champ électromagnétique. Lorsque le champ électrique E et le champ magnétique B sont homogènes et 10 perpendiculaires l'un a l'autre, seuls les ions dont la vitesse y est donnée par 'DB (1) traversent la région sans que leur trajectoire initiale ne soit modifiée. En d'autres termes, pour ces ions la trajectoire est identique à celle qu'ils auraient s'il n'existait aucun champ. Cela signifie que localement, la force électrique compense exactement la force magnétique, 15 dite de Lorentz, de telle sorte que le mouvement de la particule reste rectiligne uniforme. En jouant sur l'intensité (lu champ L ou du champ B, on peut changer la valeur de la vitesse non perturbée. Une sonde ExB connue ne distingue pas la charge de l'ion. En effet, la charge n'apparaît pas dans l'équation (1). 20 Une sonde ExB connue ne peut donc pas faire la différence entre des ions chargés ene.fc.)is (A+) et des ions chargés n fois (An+) ou bien entre des ions positifs (A+) et des ions négatifs (K) lorsque ceux-ci ont la même vitesse initiale. Jusqu'ici, les applications des sondes ExB COIML1CS dans le domaine de l'optique ionique concernent principalement la détection et la sélection des ions positifs 25 dans des milieux plasmas et dans des faisceaux d'ions. L'invention vise à proposer un dispositif permettant de distinguer les ions positifs des ions négatifs, ainsi que les ions de différents nombres de charge. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, une sonde pour la détection d'ions positifs ou négatifs, comportant : 30 - une première section dans laquelle les ions sont soumis à des champs électrique E1 et magnétique B croisés, d'amplitudes adaptées à sélectionner les ions ayant une vitesse prédéfinie, notamment pour laquelle les ions ne sont pas déviés, une deuxième section alimentée par les ions de vitesse égale à la vitesse prédéfinie, quittant la première section, où ces ions sont déviés par un champ électrique E2 et dirigés en fonction de leur charge vers des détecteurs respectifs. Grâce à l'invention, il est possible de connaître non seulement la vitesse des ions mais également leur signe et leur nombre de charge, sans recourir à un équipement complexe et encombrant tel qu'un spectromètre de masse, par exemple. Le champ électrique E2 peut être généré par des électrodes opposées soumises respectivement à des potentiels +V2 et -V2 par rapport à la masse, ce qui minimise l'écart de tension par rapport à la masse. La deuxième section peut comporter une chambre alimentée par un collimateur de sortie de la première section. Cette chambre est avantageusement reliée à une pompe à vide, qui assure la collecte des particules résultant de la recombinaison des ions. La chambre peut être définie par une enveloppe métallique d'un matériau non magnétique, ce qui évite de perturber le champ magnétique au sein de la première section. La détection des ions dans la deuxième section peut s'effectuer grâce à des collecteurs d'ions, sans amplification électronique. En variante, la détection des ions dans la deuxième section s'effectue à l'aide de collecteurs d'ions à amplification électronique. Le champ magnétique est de préférence généré dans la première section par des aimants permanents. Le champ magnétique peut être d'intensité comprise entre 100 et 1000 G. Le champ électrique E1 dans la première section peut être compris entre 0,1 et 10 V/cm, notamment entre 0,1 et 100 V/m. Le champ électrique E2 dans la deuxième section peut être compris entre 0,1 V/cm et 10 V/cm, notamment entre 0,1 et 10 V/m, étant par exemple de l'ordre de 1 V/m. La présente invention concerne encore l'utilisation d'une sonde selon l'invention pour déterminer la température d'un plasma, la sonde étant exposée à des ions provenant du plasma. En fonction de la distribution de vitesse des ions détectés et de leur charge, on peut remonter à la température du plasma. La température est en effet reliée mathématiquement à la dispersion (écart type ou moment d'ordre 2) de la fonction de distribution en vitesse qui est une grandeur statistique. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, de façon schématique, un exemple de dispositif selon l'invention, - la figure 2 illustre la déviation des ions en fonction de leur charge dans la deuxième section du dispositif, et - la figure 3 représente l'intensité des champs B et El en fonction de l'abscisse. Le dispositif 1 selon l'invention comporte une première section 10 et une deuxième section 20, alignées selon un axe X. La première section 10 correspond à une zone en champs croisés, et reprend l'architecture d'une sonde ExB classique, qui permet de sélectionner la vitesse des ions à la trajectoire non modifiée et de construire la fonction de distribution en vitesse des ions. Le champ magnétique B est créé à l'aide d'aimants permanents, non représentés. Sa valeur et sa forme sont donc fixés. Pour améliorer l topologie du champ B, c'est-à-dire limiter les effets dits « de bords », et augmenter son intensité dans la zone ExB, une cage 11 en matériau magnétique (e.g. acier inoxydable ferritique, fer pur) joue un rôle d'écran et de guide pour le flux magnétique. Pour éviter des problèmes d'accumulation de charges électriques, la cage 11 est aussi réalisée dans un conducteur électrique et reliée à la masse. La valeur de l'intensité du champ B est adaptée à l'inter\:alle de vitesse que l'on souhaite sonder ; ainsi plus la vitesse à sonder est grande, plus l'intensité de B est élevée pour assurer une bonne précision. Un champ électrique E1 est produit entre deux plaques 12 séparées d'une distance d et polarisées par un générateur externe d'une tension continue. Une plaque 12 est polarisée à un potentiel V1 et l'autre plaque à un potentiel : l'amplitude du champ E1 est donc égale à 2V1/d. Cette approche évite la création d'un fort champ électrique entre les plaques et la cage 11. Le champ E1 doit être perpendiculaire au champ 13. La valeur du champ E1 peut être changée en jouant sur la tension de polarisation. Ainsi, la sélection en vitesse est réalisée via Et. La vitesse des ions quittant la première section est fonction de la valeur du champ E1. Un collimateur d'entrée 13, en matériau isolant et résistant au bombardement ionique, par exemple des céramiques, notamment de l'alumine A1203 ou mieux une céramique composite contenant du nitrure de bore (e.g.. BN-Si02), est utilisé pour limiter la composante radiale de la vitesse des ions qui entrent dans la zone F/B à champs croisés de la première seeLion. Un collimateur 15 est placé en sortie de la zone de dérive afin d'améliorer la résolution en vitesse. Ce collimateur 15 fait aussi la jonction entre les deux sections 10 et 20 de la sonde. Les deux collimateurs 13 et 15 définissent ainsi la trajectoire non déviée, qui coïncide avec l'axe X dans l'exemple considéré. Les ions dont le vecteur vitesse est colinéaire à l'axe X traverseront la première section si l'amplitude de leur vitesse satisfait l'équation (1). La résolution de la sonde est donnée par la première section 10, et correspond à la capacité à sélectionner uniquement les ions avec la vitesse v E.m/B. Celle-ci dépend notamment de: - la longueur et le diamètre interne du collimateur d'entrée 13, - la longueur de la zone en champs croisés ExB, - l'intensité du champ B, et - la longueur et le diamètre interne du collimateur de sortie 15. L'augmentation de B permet de gagner en résolution, mais un .tort champ B courbe la trajectoire des ions (effet de déflexion magnétique) cc qui peut conduire à une dégradation de la résolution. Il est préférable de chercher l'optimum pour l'intervalle de vitesses à sonder, l'un des critères étant que le rayon de giration des ions (rayon de Larmor) soit de l'ordre de grandeur des dimensions de la zone en champs croisés. Les dimensions de la première section (collimateurs et zone en champs croisés) sont choisies de manière à. garantir une bonne résolution et à minimiser la recombinaison entre les ions positifs et négatifs. Il faut noter que si des électrons parviennent à entrer dans la section ExB, ils sont déviés et filtrés de telle sorte qu'ils ne passent jamais le collimateur de sortie 15. Les électrons ressentent aussi les champs E et B. Mais leur vitesse étant très supérieure à celle des ions, à cause de leur .faible masse, leur trajectoire est très courbée dans la section. Ainsi la probabilité qu'un électron traverse le collimateur de sortie est quasi-nulle. La deuxième section 20 d-,7 dispositif permet de distinguer les ions positifs et les ions négatifs qui ont été sélectionnés par la première section 10 en fonction de leur vitesse. De plus, la deuxième section 20 sépare, pour une même espèce, les ions en fonction de leur nombre de charge. La deuxième section 20 comporte deux plaques métalliques polarisées 22 (tension continue) qui génèrent un champ électrique E2 perpendiculaire à l'axe X et à la vitesse y. Les ions subissent une force électrostatique F : F = sZeE2, (2) où s est le signe (positif ou négatif), Z est le nombre de charge électrique et e la charge électrique élémentaire. Les différentes espèces d'ions sont séparées selon leur signe et leur charge respective. Les ions positifs vont migrer dans le sens de E2. Leur trajectoire dans la deuxième section 20, donc leurs coordonnées dans le plan de détection, dépend de Z. Les ions négati fls vont se déplacer dans le sens opposé à E2. Leur trajectoire dépend également de Z. Deux séries de collecteurs 25 sont positionnés symétriquement par rapport à l'axe X et utilisées pour détecter simultanément les ions positifs et les ions négatifs. Le matériau conducteur qui constitue chaque collecteur 25 présente de préférence un faible. taux d'émission électronique secondaire pour éviter une altération de la mesure du courant. On utilise par exemple du molybdène ou du tungstène Les collecteurs d'ions 25 peuvent être de simples surfaces métalliques ou bien des coupes de Faraday comme décrit dans US 2008/0142727. L'intensité des courants collectés est très faible, et chaque collecteur est avantageusement muni d'un étage d'amplification sous forme d'un amplificateur électronique ou sous forme d'un multiplicateur d'électrons. La deuxième section 20 comporte une enveloppe métallique 28 reliée à la masse. Il est préférable d'utiliser un matériau n'ayant pas de propriétés magnétiques. Une pompe 30 est utilisée pour pomper la deuxième section et limiter la densité de molécules issues de la recombinaison des ions positifs et négatifs. Une forte densité de molécules conduit à des phénomènes d'échanges de charge et de diffusion qui entraîne une modification artificielle des courants ioniques. L'amplitude du champ E2 est en générai inférieure à celle de El, et peut être réglée selon deux critères : la position et la dimension des collecteurs d'ions 25, le niveau de séparation souhaité entre les ions de même signe s mais de nombre Z différent, c'est-à-dire la résolution. Cette dernière dépend également de la longueur de la section. Les deux sections 10 et 20 sont de préférence suffisamment séparées par le collimateur de sortie 15 afin : - qu'aucun champ magnétique résiduel ne soit présent dans la deuxième section 20, et - que les champs E1 et E2 n'interfèrent pas. L'ordre de grandeur des divers paramètres du dispositif dépend de la gamme des vitesses à explorer et de la résolution souhaitée. De préférence, l'intervalle pour chaque 25 paramètre, pour des vitesses d'ions de 1 à 100 km/s, est le suivant : champ magnétique B : 100 - 1000 G, champ électrique El : 0.1 - 100 V/cm, champ électrique E2 : 1 V/cm, longueur de la sonde (mesurée entre l'entrée des ions et les collecte - 10 cm, longueur des collimateurs : 0 - 10 cm, intensité du courant : nA. Le profil des champs R et E1 en fonction de la position axiale sur l'axe X présente de préférence l'allure représentée à la figure 3. L'invention n'est pas limitée à l'exemple illustré. Par exemple, la sonde peut être utilisée dans de multiples applications autres que !a mesure de la température d'un 30 plasma. Entre autres applications, on peut citer la détection (et mesure de la vitesse) d'ions multichargés dans des sources plasma, la mesure précise de la vitesse d'un faisceau ionique en physique des particules, la mesure de la vitesse d'ions positi-fs et négati Cs dans les décharges en gaz électronégatifs employées pour la gravure de microcircuits, les mesures de la vitesse des ions hydrogène négatifs dans les sources de neutres pour le chauffage des réacteurs de fusion thermonucléaire (e.g. ITER). L'expression « comportant un » doit se comprendre comme étant synonyme de 5 « comportant au moins un ». REVENDICATIONS1. Sonde (1) pour la détection d'ions positifs ou négatifs, comportant une première section (10) dans laquelle les ions sont soumis à des champs électrique Et et magnétique B croisés, d'amplitudes adaptées à sélectionner les ions ayant une vitesse prédéfinie, une deuxième section (20) alimentée par les ions de vitesse égale à la vitesse prédéfin ie, quittant la première section, où ces ions sont déviés par un champ électrique et dirigés en fonction de leur charge vers des détecteurs respectifs (25). 2. Sonde selon la revendication 1, le champ électrique E.2 étant généré par des électrodes opposées (22) soumises respectivement à des potentiels +V2 et -V2. 3. Sonde selon l'une des revendications précédentes, la deuxième section (20) comportant une chambre alimentée par un collimateur de sortie (15) de la première section. 4. Sonde selon la revendication précédente, la chambre étant reliée à une pompe à vide (30). 5. Sonde selon l'une des revendications 3 et 4, la chambre étant définie par une enveloppe métallique (28) d'un matériau non magnétique. 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, la détection des ions dans la deuxième section s'effectuant grâce à des collecteurs d'ions (25) sans amplification électronique. 7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, in détection des ions dans la deuxième section (20) s'effectuant à l'aide de collecteurs d'ions (25) à amplification électronique. 8. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, le champ magnétique (B) étant généré dans la première section par des aimants permanents. 9. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, le champ magnétique (B) étant d'intensité comprise entre 100 et 1000 G. 10. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, le champ électrique El dans la première section étant. compris entre 0,1 et 100 V/m. 11. Sonde selon l'une quelconque dc revendications précédentes, le champ électrique E2 dans la deuxième section étant compris entre 0,1 et 10 V/m. 12. Utilisation d'une sonde telle que définie dans l'une quelconque des revendications précédentes pour déterminer la température d'un plastia la sonde étant exposée à des ions provenant du plasma.