METHOD OF PRODUCING MULTI-CHARGED IONS

Abstract: 1. Process for the production of multicharged ions by ionization of a first gas constituted by neutral atoms of elements chosen from the group including carbon, nitrogen, oxygen, neon, argon and krypton, introduced into the enclosure (1) of an ion source operating under pulse-like conditions, comprising also introducing into the ion source enclosure (1) a second gas, which is helium when it is wished to ionize neutral atoms of carbon, nitrogen, oxygen or neon, and nitrogen or oxygen when it is wished to ionize the neutral atoms or krypton.

Description: Procédé de production d'ions multichargés et source d'ions fonctionnant en régime impulsionnel, permettant la mise en oeuvre du procédé La présente invention a pour objet un procédé de production d'ions multichargés et une source d'ions multichargés fonctionnant en régime impulsionnel, permettant la mise en oeuvre du procédé. Ce procédé trouve de nombreuses applications dans le domaine biomédical et dans le domaine de la physique nucléaire pour l'équipement d'accélérateurs de particules. Jusqu'à présent, on a produit des ions multichargés dans les sources d'ions, à résonance cyclotronique électronique, du type "Micromafios" par exemple, en introduisant dans l'enceinte de la source uniquement le gaz constitué des atomes neutres destinés à être ionisés. Par impact d'électrons, le gaz constitué par les atomes neutres est ionisé dans une cavité hyperfréquence, excitée par un champ électromagnétique de haute fréquence auquel est superposé un champ magnétique dont l'amplitude B satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique B = 2n f m e' dans laquelle f est la fréquence du champ électromagnétique, m la masse de l'électron et e sa charge. Pour de plus amples détails sur une source d'ions du type "Micromafios" et sur le procédé de production des ions multichargés, on peut se référer au brevet français n" 2 475 798 déposé le 13 février 1980 par le Commissariat à l'Energie Atomique. Une telle source d'ions peut être utilisée en régime impulsionnel bref pour notamment équiper certains accélérateurs de particules, du type synchrotron par exemple, qui ne demandent qu'une impulsion de courant d'ions d'une durée de L'ordre de quelques dizaines de microsecondes dans un intervalle de L'ordre d'une seconde. Malheureusement, le gain en courant et en état de charge, c'est-à-dire le degré d'ionisation, qui s'effectue en utilisant une source d'ions du type "Micromafios" classique en régime impulsionnel est à peine de l'ordre d'un facteur deux. Or, l'intensité des courants d'ions multichargés que l'on peut extraire de ces sources est insuffisante pour certaines applications, et notamment dans le domaine biomédical, et pour l'équipement des accélérateurs de particules. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Pour cela, elle prévoit l'utilisation d'un mélange bien déterminé de gaz qui est introduit dans la cavité d'une source d'ions. La présente invention a précisément pour objet un procédé de production d'ions multichargés par ionisation d'un premier gaz constitué des éléments choisis dans le groupe comprenant le carbone, l'azote, l'oxygène, le néon, l'argon et le krypton, introduit dans l'enceinte d'une source d'ions fonctionnant en régime impulsionnel, se caractérisant en ce que l'on introduit, de plus, dans l'enceinte de la source d'ions un deuxième gaz, ce deuxième gaz étant de l'hélium lorsque l'on désire ioniser des atomes neutres de carbone (obtenu à partir de C02), d'azote, d'oxygène ou de néon, et de l'azote ou de l'oxygène lorsque l'on désire ioniser des atomes neutres d'argon ou de krypton. L'addition d'un deuxième gaz au gaz à ioniser, selon l'invention, permet d'augmenter l'intensité de courant des ions formés d'environ un facteur dix par rapport à l'utilisation du seul gaz à ioniser. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de L invention, le premier gaz étant constitué d'atomes neutres de carbone, d'azote, d'oxygène, de néon ou d'argon, le deuxième gaz est introduit dans l'enceinte dans une proportion allant de 45 à 55 en pression partielle du mélange gazeux. De façon avantageuse, cette proportion est voisine de 50X. Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le premier gaz étant du krypton et le deuxième gaz de l'oxygène, on utilise un mélange gazeux contenant 94,5 à 95,5t en pression partielle d'oxygène. L'invention a également pour objet une source d'ions fonctionnant en régime impulsionnel permettant la mise en oeuvre du procédé de production d'ions multichargés se caractérisant en ce qu'elle comprend une enceinte reliée à deux entrées de gaz, une entrée pour un premier gaz, et une autre entrée pour un deuxième gaz, munie d'une vanne asservie à la mesure de la pression dans L'enceinte au moyen d'une boucle d'asservissement comprenant un indicateur de pression et un amplificateur du signal. Selon un mode de réalisation préféré, la source d'ions multichargés se caractérise en ce qu'elle est une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons et en ce que l'ionisation s' effectue dans une cavité hyperfréquence. Les caractéristiques et avantagessde l'invention ressortiront mieux à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre explicatif et nullement limitatif, en référence à la figure unique annexée, sur laquelle on a représenté, schématiquement, un mode de réalisation d'une enceinte d'une source d'ions multichargés selon l'invention. Les expériences avec une source d'ions multichargés du type 'Micromafios" à résonance cyclotroni que électronique ont montré que si on l'utilise en régime impulsionnel bref (de L'ordre de 50 microsecondes toutes les secondes environ), et si on introduit dans sa cavité hyperfréquence de l'hélium pour ioniser des atomes neutres de carbone, d'oxygène, d'azote ou de néon et de l'azote ou de l'oxygène pour ioniser des atomes neutres d'argon ou de krypton, on arrive à décupler les performances en état de charge et en courant. Pour l'ionisation d'atomes de carbone, d'azote, d'oxygène ou de néon on utilise avantageusement un mélange gazeux contenant de 45 à 55% en pression partielle d'hélium et de préférence 50% d'hélium. De même, pour l'ionisation d'atomes neutres d'argon on utilise avantageusement un mélange gazeux contenant 45 à 55% en pression partielle d'oxygène ou d'azote et de préférence 50% d'oxygène ou d'azote. On présente sous forme d'un tableau ci-après l'intensité des courants électriques d'ions pour les éléments carbone, azote, oxygène, néon et argon, extraits d'une source d'ions dans laquelle on a injecté un mélange de gaz dans une proportion 50-50 en pression partielle. TABLEAU EMI4.1 <tb> gaz <SEP> additionnel <SEP> : <SEP> He <SEP> He <SEP> He <SEP> He <SEP> N2 <SEP> O2 <tb> (proportion <SEP> en <SEP> (50%) <SEP> (50%) <SEP> (50%) <SEP> (50%) <SEP> (50%) <SEP> (50%) <tb> pression <SEP> partielle <SEP> l <tb> ions <SEP> extraits <SEP> C <SEP> +6 <SEP> N+7 <SEP> Ne <SEP> Ne+10 <SEP> Ar+12 <SEP> <tb> courant <SEP> électrique <tb> d'ions <SEP> extraits <SEP> < <SEP> <SEP> îpA <SEP> <SEP> 100pA <SEP> 10,03,uA <SEP> 3uA <SEP> <tb> Pour l'ionisation d'atomes de krypton, on utilise avantageusement un mélange gazeux contenant 94,5% à 95,5X d'oxygène en pression partielle. Un mélange gazeux contenant 5% de krypton et 95X d'oxygène permet par exemple d'obtenir un courant de 20 uA de Kr13+ ou un courant de 1 ,uA de Kr 8+ Les valeurs élevées des intensités de courants d'ions extraits permettent des applications qui ne sont pas envisageables avec les courants faibles produits par des sources d'ions selon l'art antérieur. +7 Un courant de 1 pA de N 7 est par exemple né- cessaire pour les applications biomédicales comme le traitement des cancers et un courant de 3 pA de Ar+12 permet, après ionisation supplémentaire, les mêmes applications biomédicales. Le niveau de courant de 100 pA de O+6 est très demandé pour certains accélérateurs de physique nu c léai re. Sur la figure unique, est représenté en détail, un mode de réalisation d'une source d'ions multichargés à résonance cyclotronique des électrons selon L'invention. On voit une enceinte d'une source d'ions 1 où des impulsions d'une puissance hyperfréquence sont introduites au moyen d'un injecteur 2. L'enceinte est reliée à deux entrées de gaz 3 et 4, une pour le premier gaz du mélange ou gaz à ioniser, une autre munie d'une vanne 5 asservie à la mesure de la pression dans l'enceinte 1 au moyen d'une boucle d'asservissement comprenant un indicateur 6 de la pression dans l'enceinte et un amplificateur du signal 7. La vanne asservie 5 assure la proportion des composants du mélange de gaz introduit dans l'enceinte. On a représenté une cavité hyperfréquence d'une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons mais la source d'ions peut être aussi bien d'un autre type. La manière selon laquelle le plasma est créé dans la cavité n'a aucun rapport avec l'effet d'augmentation de la performance en état de charge et en courant d'une source d'ions, qui s'effectue en introduisant un mélange de gaz. La forme de L'enceinte peut être quelconque pourvu qu'elle soit adaptée au fonctionnement de la source, les entrées de gaz peuvent se trouver par exemple aux extrémités ou sur la paroi de la cavité. Dans le cas où le deuxième gaz est de l'hélium à 50 en pression partielle, une pompe cryogénique à 200K environ est nécessaire pour obtenir les performances indiquées. A cette température la vitesse de pompage de l'hélium est rigoureusement nulle.

Claims: REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'ions multichargés par ionisation d'un premier gaz, constitué d'atomes neutres des éléments choisis dans le groupe comprenant le carbone, l'azote, l'oxygène, le néon, l'argon et le krypton, introduit dans l'enceinte (1) d'une source d'ions fonctionnant en régime impulsionnel, caractérisé en ce que l'on introduit de plus, dans l'enceinte (1) de la source d'ions un deuxième gaz, ce deuxième gaz étant de l'hélium lorsque l'on désire ioniser des atomes neutres de carbone, d'azote, d'oxygène ou de néon et de l'azote ou de l'oxygène lorsque l'on désire ioniser des atomes neutres d'argon ou de krypton. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le premier gaz étant constitué d'atomes neutres de carbone, d'azote, d'oxygène, de néon ou d'argon, le deuxième gaz est introduit dans l'enceinte (1) dans une proportion allant de 45 à 55% en pression partielle du mélange gazeux. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la proportion est voisine de 50%. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le premier gaz étant du krypton et le deuxième gaz de l'oxygène, on utilise un mélange gazeux contenant 94,5 à 95,5% en pression partielle d'oxygène. 5. Source d'ions multichargés fonctionnant en régime impulsionnel permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte (1) reliée à deux entrées de gaz (3, 4), une entrée pour un premier gaz (4) et une entrée (3) pour un deuxième gaz avec une vanne (5) asservie à la mesure de la pression dans l'enceinte (1) au moyen d'une boucle d'asservissement comprenant un indicateur de pression (6 > et un ampli ficateur du signal (7). 6. Source d'ions multichargés selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons et en ce que l'ionisation s'effectue dans une cavité hyperfréquence (1).

Inventors: JACQUOT, BERNARD
Applicants: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE
Application year: 1984
Main classification: H01J27
IPC codes: H05H7, H01J27