CH332317A - Dispositif émetteur d'ions - Google Patents

Description

      Dispositif        émetteur    d'ions    L'invention est relative à un dispositif émet  teur d'ions.  



  Elle a pour but, surtout, de permettre l'ob  tention d'ions à partir d'éléments même so  lides, sans nécessiter de haute température.  



  Un certain nombre     d'appareils    utilisent des  faisceaux d'ions, en particulier les appareils  accélérateurs d'ions et, tout spécialement, les  séparateurs électromagnétiques d'isotopes. Dans  ces appareils il s'agit de produire des faisceaux  intenses de particules ionisées d'un élément  donné.  



  Il est donc nécessaire d'amener les corps  à     ioniser    en un état de     division        atomique.     



  Les solutions les plus couramment utilisées  jusqu'à présent pour parvenir à ce résultat et  former les dispositifs émetteurs d'ions habituels  consistent à élever la température de l'élément  à ioniser ou de l'un de ses composés, tel qu'un       halogénure,    pour en obtenir une tension de  vapeur.  



  L'appareillage correspondant varie avec  l'ordre de grandeur de la température néces  saire à l'obtention de cette tension de vapeur  (température allant de 20 à<B>30000</B> C).  



  On constitue par exemple des fours à ré  sistance pour vaporiser les éléments à tension  de vapeur moyenne et les composés stables des  éléments à faible tension de vapeur et des    fours à bombardement électronique pour va  poriser les éléments réfractaires dont les com  posés tels que les     halogénures,    à forte tension  de vapeur, sont instables à la température re  quise pour le fonctionnement desdits disposi  tifs émetteurs d'ions.  



  Ces solutions classiques sont compliquées  et elles ne sont pas générales. De plus l'utili  sation de composés dans la plupart des cas,       diminue    le rendement en courant d'ions ex  traits de l'élément cherché, à cause de la dis  sociation des molécules par impact électroni  que dans lesdits dispositifs.  



  On connaît     par    ailleurs le phénomène de    pulvérisation cathodique   qui consiste à ac  célérer des ions positifs de     certains    éléments  ou de composés de ces éléments, jusqu'à des  vitesses supérieures à cent électronvolts, et à  bombarder des sondes de nature quelconque  par ces ions, ce qui libère des atomes desdites  sondes, quelles qu'en soient les températures.  



  Le     dispositif    faisant l'objet de l'invention  est caractérisé par le fait qu'il comprend une  sonde, constituée par un matériau contenant  l'élément dont un faisceau d'ions est à produire,  des moyens pour bombarder     cette    sonde     par     des ions afin d'obtenir une pulvérisation ca  thodique, les particules émises par cette sonde  à la suite de ce bombardement étant ionisées      dans une décharge électrique, puis extraites  par un champ électrique accélérateur, sous  forme d'un faisceau ionique.  



  Pour     atteindre    le but recherché, on utilise  de préférence les mêmes moyens pour engen  drer les ions propres à bombarder la sonde et  pour ioniser les     particules    émises par celle-ci,  moyens tels qu'une décharge électronique à  cathode chaude ou froide réalisée ou non dans  un champ     magnétique,    ou une décharge à  haute fréquence.  



  Le dessin représente, à titre d'exemples,  quelques formes d'exécution de l'objet de l'in  vention.  



  La     fig.    1 représente, en perspective, le sché  ma de principe du dispositif émetteur d'ions,  dans lequel les divers éléments - ont été écartés  les uns des autres pour faciliter la compréhen  sion.  



  La     fig.    2 représente, à plus grande échelle,  et en coupe; l'élément     principal    du dispositif  émetteur d'ions de la     fig.    1.  



  La     fig.    3 est une vue de face d'une forme  d'exécution.  



  La     fig.    4 est une coupe de la     fig.    3. par le  plan<I>IV-IV.</I>  



  La     fig.    5 est une coupe de la     fig.    3 par le  plan     V-V,    dans laquelle un des éléments du  dispositif d'extraction des ions a été ajouté.  



  La     fig.    6 est un schéma d'une autre forme       d'ekécution.     



  Seuls ont été représentés sur ces     figures    les  éléments nécessaires à la compréhension de  l'invention, les éléments correspondants des       différentes    figures portant des références iden  tiques.  



  Dans le schéma de principe de la     fig.    1, les  organes constitutifs de la source d'ions sont en  fermés dans une enveloppe commune (non re  présentée) contenant un gaz rare, ou une va  peur (chlore, azote, etc., ou même simplement  la vapeur de l'élément constitutif de la sonde)  sous une pression pouvant varier avec la na-         ture    du gaz ou de la vapeur, depuis un vide  approché jusqu'à des     centaines    d'atmosphères.  



  Ces organes comprennent une     enceinte    1,  une cathode chaude 2 à un potentiel     VZ    ou  tout autre émetteur d'électrons approprié, une  anode 3 à un potentiel     V2,    une sonde 4 à un  potentiel V3 constituée par l'élément dont un  faisceau d'ions est à obtenir. Un champ magné  tique représenté par la     flèche    H est produit  dans l'axe de l'enceinte 1, par exemple par un       électro-aimant    dont les deux pôles 5 et 6 sont  seuls représentés.

   Deux électrodes 7 et 8 à des  potentiels respectifs     V4    et     V5    sont placés, la  première 7 immédiatement devant la source  d'ions, la deuxième 8 à une     certaine    distance  de la     première.    Le faisceau d'ions obtenu est  représenté par 9.  



  Dans le cas d'une décharge à haute fré  quence, la cathode 2 n'est pas obligatoire, non  plus que le champ magnétique H.  



  Le fonctionnement est le suivant  La cathode 2 produit des électrons qui sont  accélérés par l'anode 3 et focalisés le long des  lignes de forces du champ magnétique axial H  pour intensifier leur action.  



  Une décharge électrique peut alors s'amor  cer dans le gaz ou la vapeur contenue dans  l'enceinte 1. Dans ces conditions il y a créa  tion d'un   plasma   10     (fig.    2) caractérisé par  une égalité statistique de la densité de charge  d'espace positive et négative dans chacun de  ses éléments de volume et par le fait que le  potentiel constant de ce plasma est toujours  voisin de celui de l'électrode la plus positive.  



  D'autre part le plasma 10 est limité, au voi  sinage de toute électrode qui y est plongée,  par une     région    de faibles dimensions appelée    gaine' , dans laquelle a lieu le gradient de  potentiel entre l'électrode et le plasma, si bien  que le potentiel d'une sonde n'a     d'influence    no  table que dans la région déterminée par l'épais  seur de cette gaine.  



  Si l'on introduit alors dans la décharge une  sonde quelconque, polarisée négativement par  rapport au plasma, de telle sorte que les     ions     positifs du plasma qui traversent la gaine ar-      rivent sur cette sonde avec une énergie     détér-          minée,    l'impact de ces ions sur la sonde libérera  des atomes de celle-ci.  



  Une partie des atomes libérés par la sonde,  à la suite de ce bombardement dû au gradient  de potentiel de sa gaine, sont ionisés dans une  décharge électrique, qui est avantageusement  la même que celle génératrice du plasma mais  pourrait être différente, et sont extraits sous  forme du faisceau ionique 9 par un     dispositif     approprié constitué par l'électrode 7, mise à un  potentiel     V4    voisin de celui du plasma 10, et  par l'électrode 8 mise à un potentiel     V;,    néga  tif.  



  A titre purement     illustratif,    on mentionne  ci-après quelques valeurs de potentiels utili  sables dans un dispositif émetteur d'ions  <I>VI</I> de la cathode = environ - 100 volts ;       V#>    de l'anode, le plus positif, est pris pour  origine des     potentiels    : V2 de l'anode = 0  c'est le potentiel du plasma ;       V3    de la sonde = - 200à -<B>1000</B> volts  (courant 1 à 2 A) ;       V4    de l'électrode 7 =     V2    = 0, et       V5    de l'électrode 8 = -10 000à<B><I>-50000</I></B>  volts.  



  La sonde 4 peut être soit solide, soit liquide,  soit conductrice ou semi-conductrice, soit même  isolante.  



  Il est bien entendu que les ions primaires  qui la bombardent pourraient être obtenus  d'une manière différente de celle décrite plus  haut: par exemple, on pourrait former le  plasma 10 à l'aide d'une décharge à haute fré  quence, ou utiliser pour la pulvérisation de la  sonde un faisceau d'ions primaires d'origine  quelconque.  



  Les     fig.    3, 4 et 5 se rapportent à une forme  d'exécution préférée du dispositif     émetteur     d'ions, applicable, en particulier, comme source  solide d'ions de séparateur électromagnétique  d'isotopes. Mais cette réalisation n'est nulle  ment limitée, dans son application, à ce type  d'appareils.    Dans cette forme d'exécution,     l'émission     appropriée d'électrons est assurée par un fila  ment chaud 2, porté par deux supports 15 et  16. L'anode 3 en cuivre, qui accélère ces  électrons, est refroidie et polarisée à quelques  centaines de. volts par rapport au filament 2.

    Le champ magnétique axial H est de     quelques     centaines ou quelques milliers de Gauss ;       l'électro-aimant    qui le produit n'est pas re  présenté. La décharge est entretenue soit par  l'élément lui-même émettant une vapeur, soit  par un gaz inerte ou     chimiquement    actif, soit  par une vapeur.  



  La sonde est, dans cette forme d'exécution,  constituée par une feuille 12 de l'élément à  ioniser ou d'un de ses composés ou     alliages,     supportée à l'intérieur d'un     cylindre    creux 11  de graphite ; la forme sous laquelle est livrée:  la matière première n'est pas critique, ce qui  constitue une grande commodité d'emploi.  Cette sonde est fixée     dans    l'enceinte 1 par un  support 13     fixé    dans un isolateur 14.  



  Il résulte de la géométrie de ce système et  de la distribution de potentiel     imposée    par la  sonde, que le plasma de la décharge est con  centré à     l'intérieur    de cette sonde et que     celle-          ci    est pulvérisée par l'impact des ions positifs  sur sa face interne.  



  Une partie des atomes libérés de la sonde,  après avoir été ionisés dans la décharge, est  accélérée     -par    un dispositif approprié, compor  tant l'électrode 7 représentée sur là     fig.    5, et  extraite du dispositif sous forme d'un faisceau  d'ions vers le séparateur électromagnétique.  Une autre partie est     recondensée    sur les pa  rois internes de la sonde, ce qui permet sa     réé-          mission    ultérieure par le même processus.  



  Pour réduire au     minimum    les pertes de la  matière pulvérisée, la surface ouverte du cy  lindre est limitée à la fente de sortie des ions  et à l'ouverture latérale du côté de la cathode  chaude 2 -     nécessaire    à l'entrée des     électrons     dans la décharge. Cette disposition présente  l'intérêt d'augmenter le rendement d'ionisation  de l'élément considéré, et de protéger l'isola  teur 14 de la sonde contre les métallisa  tions.

        On a représenté sur la     fig.    6, pour illus  trer le cas de la haute fréquence spécifié plus  haut, un cylindre creux 11 avec feuille 12 de  l'élément à ioniser où le plasma est engendré  par une décharge à haute     fréquence    dans un  enroulement 17 à partir d'une source 18. Cette  décharge peut avoir lieu avec ou sans champ  magnétique H axial et la fréquence avoisiner  100 mégacycles.  



  Les dispositifs décrits fonctionnent égale  ment bien avec des métaux réfractaires ou non.  A titre d'exemple ce dispositif émetteur       d'ions    a pu être utilisé pour extraire des fais  ceaux d'ions d'éléments tels que le molybdène  le palladium le fer, le cuivre ; ces faisceaux  comportaient de 20 à 100     %    de l'élément pul  vérisé. ' : .  



  La comparaison     des-@caractéristiques    de la  décharge classique et de la décharge utilisant  le phénomène de pulvérisation cathodique,  fait apparaître encore un autre avantage pro  pre aux dispositifs décrits. En effet, les mesu  res     effectuées    sur le même appareil, avec le  même élément, et en gardant un courant d'ions  extraits constant dans les deux cas, font appa  raître une augmentation du pouvoir de résolu  tion, lors de l'enregistrement d'un même spec  tre de masse sur le séparateur électromagné  tique.

Claims (1)

1. ' REVENDICATION Dispositif émetteur d'ions, caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde, constituée par un matériau contenant l'élément dont un faisceau d'ions est à produire, des moyens pour bombarder cette sonde par des ions afin d'ob tenir une pulvérisation cathodique, les parti cules émises par cette sonde à la suite de ce \bombardément étant ionisées dans une décharge électrique; puis extraites par un champ électri que accélérateur sous forme d'un faisceau ionique. SOUS-REVENDICATIONS 1.

   Dispositif selon la revendication, carac térisé par le fait qu'une même décharge élec trique est utilisée pour engendrer les ions de bombardement de la sonde à partir d'un gaz ou d'une vapeur, et pour ioniser les particules émises par celle-ci. 2. Dispositif selon la revendication, carac térisé par le fait que ladite décharge électrique est une décharge électronique à partir d'une cathode (2). 3. Dispositif selon la sous-revendication 2, caractérisé par le fait que la décharge électro nique est du type à champ magnétique axial (H) pour focaliser les électrons. 4. Dispositif selon la sous-revendication 2, caractérisé par le fait que ladite décharge est accélérée par une anode (3). 5. Dispositif selon la sous-revendication 4, caractérisé par le fait que l'anode (5) est en cuivre et qu'elle est refroidie. 6.

   Dispositif selon la revendication, carac térisé par le fait que ladite décharge électrique est une décharge à haute fréquence. 7. Dispositif selon la revendication, carac térisé par le fait que ladite décharge électrique engendre un plasma (10) qui est soumis à un potentiel moins négatif que celui de la sonde (4), de façon qu'il y ait dans une gaine mince séparant ledit plasma de ladite sonde un cer tain gradient de potentiel. 8. Dispositif selon la sous-revendication 5, caractérisé par le fait que le potentiel du plas ma (10) qui correspond à celui de l'électrode la plus positive est choisi égal à zéro. 9.

   Dispositif selon la revendication, carac térisé par le fait que le champ électrique accé lérateur d'extraction est. engendré par des élec trodes (7, 8) dont l'une au moins est à un po tentiel négatif supérieur en valeur absolue à 10 000 volts. 10. Dispositif selon la revendication, ca ractérisé par le fait que la sonde (4) est en un matériau solide. 11. Dispositif selon la revendication, ca ractérisé par le fait que la sonde (4) est en un matériau liquide. 13. Dispositif selon la sous-revendication 12, caractérisé par le fait que la feuille (12) est constituée en un composé de l'élément à ioniser. 14.

   Dispositif selon la sous-revendication 12, caractérisé par le fait que le cylindre creux (11) est fixé dans une enceinte (1) par un sup port (13) fixé dans un isolateur (14). 15. Dispositif selon la sous-revendication 12, caractérisé par le fait que le faisceau io nique de sortie (9) sort du cylindre creux par une fente.