EP3136418A1 - Dispositif generateur d'ions a resonance cyclotronique electronique - Google Patents

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EP3136418A1
EP3136418A1 EP16180059.4A EP16180059A EP3136418A1 EP 3136418 A1 EP3136418 A1 EP 3136418A1 EP 16180059 A EP16180059 A EP 16180059A EP 3136418 A1 EP3136418 A1 EP 3136418A1
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EP
European Patent Office
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electrode
potential
plasma chamber
tube
intended
Prior art date
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Application number
EP16180059.4A
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German (de)
English (en)
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EP3136418B1 (fr
Inventor
Olivier Delferriere
Olivier Tuske
Francis HARRAULT
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
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    • H01J27/022—Details
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    • H01J27/022—Details
    • H01J27/024—Extraction optics, e.g. grids

Definitions

  • the present invention relates to an electron cyclotron resonance ion generating device, and more specifically to an ECR or "electron cyclotron resonance" type ion source, for electron cyclotron resonance.
  • ECR sources electronic cyclotron resonance devices, also called ECR sources, are used to produce mono-charged or multicharged ions (that is, atoms to which one or more electrons have been torn off).
  • This device is particularly advantageous because it is very compact due to the presence of the insulating structure upstream of the plasma chamber, which reduces the total length of the device. However, it is still relatively bulky.
  • this device comprises an accelerator tube for extracting the ions from the plasma chamber.
  • the accelerator tube comprises a plurality of electrodes whose shape is simplified compared to the devices of the prior art.
  • the second electrode of this device of the prior art also called “intermediate electrode” because it is biased to an intermediate potential, has a complex geometry to avoid electrical breakdown in the accelerator tube.
  • the invention aims to overcome the drawbacks of the state of the art by providing a more compact electronic cyclotron resonance ion generating device than those of the prior art.
  • the invention also aims to propose a device in which the risk of Penning type discharge is limited.
  • the invention also aims to provide a simpler device than those of the prior art, in which the risk of electrical breakdown is also reduced.
  • upstream and downstream are used with respect to the direction of propagation of an ion beam at the outlet of the plasma chamber.
  • the electron cyclotron resonance ion generating device is particularly advantageous because it is more compact than those of the prior art since the insulating structure is now in contact with the metal tube in which are hollowed out the waveguide and the plasma chamber. There is therefore no air gap between the insulating structure and the waveguide, in contrast to the devices of the prior art.
  • this geometry makes it possible to have a limited risk of breakdown in the device, as well as a risk of limited Penning discharge.
  • the extraction of the ion beam is therefore more reliable in the device according to the first aspect of the invention.
  • by removing the air gap between the insulating structure and the waveguide it eliminates the need for a pumping sleeve, which further simplifies the device.
  • the device according to the first aspect of the invention may also have one or more of the following features taken independently or in any technically possible combination.
  • the extraction means further comprise a second electrode disposed between the first and the third electrode, the second electrode being intended to be placed at a variable potential, the second electrode being able to be connected to means for adjusting the potential. .
  • the second electrode is connected to the ceramic tube, the second electrode having an annular shape.
  • the second electrode therefore has a simpler geometry than in the devices of the prior art. This simplification of the geometry of the second electrode is made possible by the fact that the air gap between the insulating structure and the walls of the plasma chamber and the waveguide has been eliminated.
  • the device further comprises a ceramic ring interposed between the first and the second electrode.
  • This ceramic ring keeps the first and the second electrode in place while reducing the risk of breakdown in the extraction means.
  • connection socket is located on a lateral outer wall of the ceramic tube, the connection means further comprising a radial connection duct connecting the longitudinal connection duct to the connection socket.
  • the device further comprises an inlet flange, the connection socket being located on an outer wall of the inlet flange.
  • the ceramic tube comprises two concentric tubular parts.
  • the longitudinal connection duct may thus be formed by a groove dug in one of the two tubular portions.
  • the groove is preferably hollowed in the inner tubular portion.
  • the longitudinal connection duct is thus easier to achieve, since it can be achieved by digging a groove on an outer surface of the inner tubular portion of the ceramic tube.
  • the ceramic tube is formed by an integral piece.
  • the extraction means further comprise a fifth electrode downstream of the fourth electrode, the fifth electrode being intended to be placed at the second potential.
  • connection flange is fixed on the ceramic tube.
  • an additional support flange can be dispensed with and the device can be directly attached to the ion transport line via the connection flange.
  • the device is thus shortened and the ion transport line is brought closer to the plasma chamber, which results in a better quality ion beam in the ion transport line.
  • the metal tube is pierced by a conduit arranged to allow the injection of a gas from outside the metal tube into the plasma chamber.
  • This device comprises a metal tube 1.
  • the metal tube 1 extends along a reference axis 2.
  • the metal tube 1 has a symmetry of revolution with respect to the reference axis 2.
  • the metal tube 1 has an upstream end 5 and a downstream end 6.
  • the metal tube 1 may for example be made of copper.
  • the metal tube 1 comprises a first cavity which forms a plasma chamber 3 intended to contain a plasma.
  • the metal tube 1 also comprises a second cavity which forms a waveguide 4.
  • the waveguide 4 is intended to be traversed by a high frequency wave so as to inject it into the plasma chamber 3.
  • a high-frequency wave frequency is a wave that has a frequency between 1 and 15 GHz.
  • the waveguide 4 comprises an upstream end 10 intended to be connected to means for generating a high frequency wave and a downstream end 11 which opens into the plasma chamber 3.
  • the plasma chamber 3 and the waveguide 4 are formed by a piece in one piece, which simplifies the structure of the device.
  • the metal tube 1 is also pierced by a conduit 7 which preferably connects the plasma chamber 3 to the upstream end of the metal tube.
  • This duct 7 makes it possible to inject a gas into the plasma chamber 3 from outside the device.
  • the device also comprises means 8 for generating a magnetic field in the plasma chamber 3.
  • These generation means 8 may for example comprise one or more coil (s) or permanent magnets.
  • the plasma chamber 3 is supplied with atoms via the conduit 7.
  • the waveguide 4 conducts a high frequency wave in the plasma chamber 3 while the generation means 8 generate a magnetic field in the plasma chamber 3.
  • the coupling of this high-frequency wave and this magnetic field makes it possible to obtain an electron cyclotron resonance in the plasma chamber 3.
  • the atoms present in the plasma chamber 3 are then ionized and a plasma is obtained in the plasma chamber 3.
  • the plasma chamber 3 is placed at a first potential V 1 .
  • the entire metal tube 1 is placed at this first potential V 1 .
  • the device also comprises extraction means 12 configured to extract ions from the plasma chamber 3.
  • the extraction means 12 comprise an upstream end 15 connected to the plasma chamber 3 and a downstream end 16 intended to be connected to a line
  • the upstream end 15 of the extraction means is therefore intended to be placed at the same potential as the plasma chamber 3, that is to say at the first potential V 1 .
  • the downstream end 16 of the extraction means is intended to be placed at the same potential as the ion transport line 22.
  • the downstream end 16 of the extraction means is therefore intended to be placed at a second potential V 2 different of the first potential V 1 .
  • the potential difference between the first potential V 1 and the second potential V 2 is preferably between 1 and 200 kV.
  • the second potential V 2 is advantageously close to 0 V.
  • the device comprises an insulating structure.
  • This insulating structure comprises a ceramic tube 17.
  • This ceramic tube 17 may for example be made of alumina.
  • the ceramic tube 17 is preferably fixed to the metal tube 1 via an annular inlet flange 28 secured to the metal tube 1.
  • the ceramic tube 17 is preferably fixed by screws 29 to the inlet flange 28 preferably via metal inserts.
  • This ceramic tube 17 preferably comprises an inner tubular portion 18 which surrounds the metal tube 1.
  • the inner tubular portion 18 is in contact with the metal tube 1, which makes it possible to have a less bulky device radially and which limits the risk breakdown in the device.
  • the ceramic tube also has a concentric outer tubular portion 19 of the inner tubular portion 18.
  • the outer tubular portion 19 preferably has a first cylindrical portion 19a that surrounds the inner tubular portion 18 and a second portion 19b that at least partially surrounds a portion of the electrodes of the extraction means 12.
  • the second cylindrical portion 19b surrounds the first and the second electrode 13a, 13b.
  • the first electrode 13a is fixed on the metal tube 1.
  • the second electrode 13b is fixed on the outer tubular part 19b.
  • a ceramic ring 23 is interposed between the first and the second electrode 13a, 13b in order to isolate them electrically from each other and to avoid electrical breakdowns.
  • the device also comprises a connection flange 21 for fixing the device to an ion transport line 22.
  • the connection flange 21 is fixed to the ceramic tube 17.
  • the connection flange 21 preferably surrounds the third, fourth and fifth electrodes 13c, 13d, 13th.
  • the third, fourth and fifth electrodes 13c, 13d, 13e are preferably fixed on an input flange of the transmission line 22.
  • the third, fourth and fifth electrodes 13c, 13d, 13e can be separated from each other either by air gaps and insulated spacers, or by ceramic rings.
  • the device preferably comprises connection means able to connect the second electrode 13b to means for adjusting the potential. These connection means make it possible to polarize the second electrode 11b by connecting it to a high-voltage power supply.
  • connection plug 26 The longitudinal connection duct 25 and the radial connection duct 36 are traversed by a metal wire 24 connecting the connection plug 26 to the second electrode 13b.
  • the wire 24 has a first end 34 pinched on the second electrode 11b by means of a screw. The wire 24 then passes successively into the first orifice 33, the second orifice 31 and the groove 30.
  • the wire therefore passes in particular the collar 32 of the metal tube 1.
  • the wire 24 is not at the same potential as the flange 32.
  • the wire is at the same potential as the second electrode 13b, while the flange is at the same potential as the plasma chamber.
  • the wire is therefore at a potential between the first potential V 1 and the second potential V 2 while the flange 32 is at the first potential V 1 .
  • an insulating sleeve 35 is inserted into the second orifice 31.
  • the insulating sleeve 35 is therefore interposed between the flange 32 and the wire 24.
  • the insulating sleeve 35 is preferably formed by a glass tube . This insulating sleeve 35 extends on either side of the second orifice 31, into the alumina parts on either side of the collar 32 to avoid any risk of contact between the wire 24 and the collar 32.
  • the means for generating the magnetic field 8 preferably surround the ceramic tube 17. More specifically, the means for generating the magnetic field 8 are preferably located at the plasma chamber 3. Thus, the magnetic field generation means 8 surround preferably the plasma chamber 3 in order to optimize the generation of the magnetic field at the level of the plasma chamber 3.
  • the device thus produced is compact longitudinally and radially. Indeed, the overall volume of the device has been divided by ten compared to the devices of the prior art.
  • the device also has a risk of discharge type Penning and limited breakdown.
  • it makes it possible to connect the ion transport line 22 directly at the outlet of the plasma chamber 3, which makes it possible to have a beam of better quality and more easily controllable in the ion transport line.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant :
- un tube métallique (1) soumis à un premier potentiel (V1) et percé par :
o une première cavité formant une chambre plasma (3) destinée à contenir un plasma;
o une deuxième cavité formant un guide d'onde (4) agencé pour injecter une onde haute fréquence dans la chambre plasma (3),

- des moyens d'extraction (12) comportant une extrémité amont (15) connectée à la chambre plasma (3) et une extrémité avale (16) destinée à être connectée à une ligne de transport des ions (22), la bride de connexion (21) étant soumise à un deuxième potentiel (V2),
- des moyens de génération (8) d'un champ magnétique,
- un tube céramique (17) en contact avec le tube métallique (1), le tube céramique (17) entourant le tube métallique (1) et au moins une partie des moyens d'extraction (12).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique, et plus précisément une source d'ions de type ECR ou « electron Cyclotron Resonance », pour résonance cyclotronique électronique.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR
  • De façon connue, les dispositifs à résonance cyclotronique électronique, également appelées sources ECR, sont utilisés pour produire des ions mono-chargés ou multichargés (c'est-à-dire des atomes auxquels on a arraché un ou plusieurs électrons).
  • Le document FR2969371 décrit un dispositif à résonance cyclotronique électronique comportant :
    • une chambre plasma destinée à contenir un plasma ;
    • des moyens de génération d'un champ magnétique dans la chambre plasma, la chambre plasma étant à un premier potentiel, les moyens de génération d'un champ magnétique étant à un deuxième potentiel,
    • des moyens de propagation d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de la chambre plasma,
    • une structure isolante, la structure isolante présentant une extrémité amont qui est au premier potentiel et une extrémité aval qui est au deuxième potentiel, les moyens de génération d'un champ magnétique étant situés en aval de la structure isolante.
  • Ce dispositif est particulièrement avantageux car il est très compact grâce à la présence de la structure isolante en amont de la chambre plasma, ce qui permet de réduire la longueur totale du dispositif. Toutefois, il reste malgré tout relativement volumineux.
  • Par ailleurs, ce dispositif comporte un tube accélérateur permettant d'extraire les ions de la chambre plasma. Pour cela, le tube accélérateur comporte plusieurs électrodes dont la forme est simplifiée par rapport aux dispositifs de l'art antérieur.
  • Toutefois, on a constaté que l'extraction du faisceau d'ions est parfois interrompue dans ce dispositif. Ces interruptions dans l'extraction du faisceau pourraient s'expliquer par la présence de décharges de type Penning dans le dispositif. En effet, lors de certaines combinaisons favorables des lignes de champ électrique et magnétique dans la chambre plasma, des décharges de type Penning peuvent apparaitre. Or, du fait du niveau de vide régnant dans le tube accélérateur, des particules peuvent alors être piégées entre les électrodes. Ces particules acquièrent alors de l'énergie et décrivent des trajectoires circulaires en oscillant avec une plus ou moins grande amplitude selon les niveaux de champ électrique et magnétique. Ces particules finissent généralement par frapper les électrodes du tube accélérateur ce qui crée un débit de particules au niveau de l'alimentation électrique haute tension du dispositif, ce qui provoque une chute de tension. Le faisceau d'ions ne peut alors plus être extrait de la chambre plasma.
  • Par ailleurs, la deuxième électrode de ce dispositif de l'art antérieur, également appelée « électrode intermédiaire » car elle est polarisée à un potentiel intermédiaire, présente une géométrie complexe afin d'éviter les claquages électriques dans le tube accélérateur.
    • EXPOSE DE L'INVENTION
  • L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique plus compact que ceux de l'art antérieur.
  • L'invention vise également à proposer un dispositif dans lequel le risque de décharge de type Penning est limité.
  • L'invention vise également à proposer un dispositif plus simple que ceux de l'art antérieur, dans lequel le risque de claquage électrique est également réduit.
  • Pour ce faire, un premier aspect de l'invention concerne un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant :
    • un tube métallique, le tube métallique étant destiné à être placé à un premier potentiel, le tube métallique étant percé par :
      • o une première cavité formant une chambre plasma destinée à contenir un plasma;
      • o une deuxième cavité reliée à la première cavité, la deuxième cavité formant un guide d'onde agencé pour injecter une onde haute fréquence dans la chambre plasma,
    • des moyens d'extraction agencés pour extraire des ions de la chambre plasma, les moyens d'extraction comportant une extrémité amont connectée à la chambre plasma et une extrémité avale pourvue d'une bride de connexion destinée à être connectée à une ligne de transport des ions, la bride de connexion étant destinée à être placée à un deuxième potentiel différent du premier potentiel,
    • des moyens de génération d'un champ magnétique configurés pour générer un champ magnétique dans la chambre plasma,
    • une structure isolante agencée pour isoler électriquement le tube métallique de l'extrémité avale des moyens d'extraction, la structure isolante comportant un tube céramique en contact avec le tube métallique, le tube céramique entourant le tube métallique et au moins une partie des moyens d'extraction.
  • Dans ce document, les termes « amont » et « aval » sont utilisés par rapport au sens de propagation d'un faisceau d'ions en sortie de la chambre plasma.
  • Le dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique selon le premier aspect de l'invention est particulièrement avantageux car il est plus compact que ceux de l'art antérieur étant donné que la structure isolante est maintenant en contact avec le tube métallique dans lequel sont creusés le guide d'onde et la chambre plasma. Il n'y a donc plus de gap d'air entre la structure isolante et le guide d'onde au contraire des dispositifs de l'art antérieur. En outre, cette géométrie permet d'avoir un risque de claquage limité dans le dispositif, ainsi qu'un risque de décharge de type Penning limité. L'extraction du faisceau d'ions est donc plus fiable dans le dispositif selon le premier aspect de l'invention. En outre, en supprimant le gap d'air entre la structure isolante et le guide d'onde, on supprime le besoin d'une manchette de pompage, ce qui simplifie encore le dispositif.
  • Le dispositif selon le premier aspect de l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
  • Avantageusement, les moyens d'extraction comportent au moins:
    • une première électrode solidaire du tube métallique, la première électrode étant destinée à être placée au premier potentiel,
    • une troisième électrode en aval de la première électrode, la troisième électrode étant destinée à être placée au deuxième potentiel ;
    • une quatrième électrode en aval de la troisième électrode, la quatrième électrode étant destinée à être placée à un potentiel négatif.
  • Avantageusement, les moyens d'extraction comportent en outre une deuxième électrode disposée entre la première et la troisième électrode, la deuxième électrode étant destinée à être placée à un potentiel variable, la deuxième électrode étant apte à être reliée à des moyens de réglage du potentiel.
  • Avantageusement, la deuxième électrode est reliée au tube céramique, la deuxième électrode présentant une forme annulaire. La deuxième électrode a donc une géométrie plus simple que dans les dispositifs de l'art antérieur. Cette simplification de la géométrie de la deuxième électrode est rendue possible grâce au fait que l'on a supprimé le gap d'air entre la structure isolante et les parois de la chambre plasma et du guide d'onde.
  • Avantageusement, le dispositif comporte en outre un anneau céramique intercalé entre la première et la deuxième électrode. Cet anneau céramique permet de maintenir en place la première et la deuxième électrode, tout en diminuant le risque de claquage dans les moyens d'extraction.
  • Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de connexion aptes à connecter la deuxième électrode à des moyens de réglage du potentiel, les moyens de connexion comportant :
    • une prise de connexion située à l'extérieur du tube céramique;
    • un conduit de connexion longitudinal traversant longitudinalement le tube céramique, le conduit de connexion étant traversé par un fil métallique reliant la prise de connexion à la deuxième électrode.
  • Selon un premier mode de réalisation, la prise de connexion est située sur une paroi extérieure latérale du tube céramique, les moyens de connexion comportant en outre un conduit de connexion radial reliant le conduit de connexion longitudinal à la prise de connexion.
  • Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif comporte en outre une bride d'entrée, la prise de connexion étant située sur une paroi extérieure de la bride d'entrée.
  • Selon un mode de réalisation, le tube céramique comporte deux parties tubulaires concentriques. Le conduit de connexion longitudinal peut ainsi être formé par une rainure creusée dans une des deux parties tubulaires. La rainure est de préférence creusée dans la partie tubulaire interne. Le conduit de connexion longitudinal est ainsi plus facile à réaliser, puisqu'il peut être réalisé en creusant une rainure sur une surface externe de la partie tubulaire interne du tube céramique.
  • Selon un autre mode de réalisation, le tube céramique est formé par une pièce d'un seul tenant.
  • Avantageusement, les moyens d'extraction comportent en outre une cinquième électrode en aval de la quatrième électrode, la cinquième électrode étant destinée à être placée au deuxième potentiel.
  • Avantageusement, la bride de connexion est fixée sur le tube céramique. En effet, comme le dispositif est plus compact que ceux de l'art antérieur, on peut se passer d'une bride support additionnelle et on peut fixer directement le dispositif à la ligne de transport des ions via la bride de connexion. Le dispositif est ainsi raccourci et la ligne de transport des ions est rapprochée de la chambre plasma, ce qui permet d'obtenir un faisceau d'ions de meilleure qualité dans la ligne de transport des ions.
  • Avantageusement, le dispositif comporte en outre des moyens de générations d'un champ magnétique agencés pour générer un champ magnétique dans la chambre plasma, les moyens de génération du champ magnétique entourant le tube céramique, les moyens de génération du champ magnétique étant situés au niveau de la chambre plasma. Ainsi, au contraire des dispositifs de l'art antérieur, les moyens de génération du champ magnétique ne sont plus situés au niveau des moyens d'extraction mais au niveau de la chambre plasma. Cette modification a été rendue possible par :
    • la diminution du diamètre de la structure isolante au niveau de la chambre plasma grâce au fait que la structure isolante est maintenant en contact avec le tube formant le guide d'onde et la chambre plasma, et par
    • la suppression de la manchette de pompage.
  • Cette nouvelle position des moyens de génération d'un champ magnétique est particulièrement avantageuse car elle permet notamment :
    • de bénéficier directement dans la chambre plasma du champ magnétique généré par les moyens de génération, au contraire des dispositifs de l'art antérieur dans lesquels on n'utilisait pas directement le champ magnétique généré mais le champ de fuite généré puisque les moyens de génération étaient décalés par rapport à la chambre plasma. La génération du champ magnétique dans le dispositif selon l'invention est donc plus efficace que dans les dispositifs de l'art antérieur ;
    • de pouvoir connecter la ligne de transport des ions directement en sortie de la chambre plasma, ce qui n'était pas le cas dans les dispositifs de l'art antérieur puisque l'espace en sortie de la chambre plasma était occupé par les moyens de génération du champ magnétique. On obtient donc un faisceau de meilleure qualité dans la ligne de transport des ions puisque celle-ci est plus proche de la chambre plasma. Ainsi, le faisceau peut être dès son extraction guidée par des moyens de focalisation et de déviation.
  • Avantageusement, le tube métallique est percé par un conduit agencé pour permettre l'injection d'un gaz depuis l'extérieur du tube métallique dans la chambre plasma.
    • BREVES DESCRIPTION DES FIGURES
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
    • La figure 1, une vue en coupe d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • La figure 2, une vue en perspective du dispositif de la figure 1 en coupe;
    • La figure 3, une vue en coupe du dispositif de la figure 1 sur lequel on a représenté le potentiel auquel est portée chaque zone du dispositif ;
    • La figure 4, une vue agrandie en coupe d'une partie du dispositif de la figure 1 ;
    • La figure 5, une vue en coupe d'un dispositif selon un autre mode de réalisation de l'invention.
  • Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures.
    • DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION
  • Un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique selon un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 5.
  • Ce dispositif comporte un tube métallique 1. Le tube métallique 1 s'étend suivant un axe de référence 2. Le tube métallique 1 présente une symétrie de révolution par rapport à l'axe de référence 2. Le tube métallique 1 comporte une extrémité amont 5 et une extrémité avale 6. Le tube métallique 1 peut par exemple être réalisé en cuivre.
  • Le tube métallique 1 comporte une première cavité qui forme une chambre plasma 3 destinée à contenir un plasma.
  • Le tube métallique 1 comporte également une deuxième cavité qui forme un guide d'onde 4. Le guide d'onde 4 est destiné à être parcouru par une onde haute fréquence de façon à l'injecter dans la chambre plasma 3. Une onde haute-fréquence est une onde qui présente une fréquence comprise entre 1 et 15 GHz. Le guide d'onde 4 comporte une extrémité amont 10 destinée à être connectée à des moyens de génération d'une onde haute fréquence et une extrémité avale 11 qui débouche dans la chambre plasma 3. La chambre plasma 3 et le guide d'onde 4 sont formés par une pièce d'un seul tenant, ce qui simplifie la structure du dispositif.
  • Le tube métallique 1 est également percé par un conduit 7 qui relie de préférence la chambre plasma 3 à l'extrémité amont du tube métallique. Ce conduit 7 permet d'injecter un gaz dans la chambre plasma 3 depuis l'extérieur du dispositif.
  • Le dispositif comporte également des moyens de génération 8 d'un champ magnétique dans la chambre plasma 3. Ces moyens de génération 8 peuvent par exemple comporter une ou plusieurs bobine(s) ou des aimants permanents.
  • En fonctionnement, la chambre plasma 3 est alimentée en atomes via le conduit 7. Le guide d'onde 4 conduit une onde haute fréquence dans la chambre plasma 3 tandis que les moyens de génération 8 génèrent un champ magnétique dans la chambre plasma 3. Le couplage de cette onde haute-fréquence et de ce champ magnétique permet d'obtenir une résonnance cyclotronique électronique dans la chambre plasma 3. Les atomes présents dans la chambre plasma 3 sont alors ionisés et on obtient un plasma dans la chambre plasma 3. Pour cela, le champ magnétique dans la chambre plasma 3 doit présenter un module Becr qui satisfait à la condition (1) de résonance cyclotronique électronique : condition 1 de résonance cyclotronique électronique B ecr = f .2 πm / e
    Figure imgb0001
  • Avec e la charge de l'électron, m la masse de l'électron et f la fréquence de l'onde haute fréquence injectée dans la chambre plasma.
  • En outre, afin de permettre la formation des ions dans la chambre plasma 3, la chambre plasma 3 est placée à un premier potentiel V1. Pour cela, l'ensemble du tube métallique 1 est placé à ce premier potentiel V1.
  • Le dispositif comporte également des moyens d'extraction 12 configurés pour extraire des ions de la chambre plasma 3. Les moyens d'extraction 12 comportent une extrémité amont 15 raccordée à la chambre plasma 3 et une extrémité avale 16 destinée à être raccordée à une ligne de transport des ions 22. L'extrémité amont 15 des moyens d'extraction est donc destinée à être placée au même potentiel que la chambre plasma 3, c'est-à-dire au premier potentiel V1. L'extrémité avale 16 des moyens d'extraction est destinée à être placée au même potentiel que la ligne de transport des ions 22. L'extrémité avale 16 des moyens d'extraction est donc destinée à être placée à un deuxième potentiel V2 différent du premier potentiel V1. La différence de potentiel entre le premier potentiel V1 et le deuxième potentiel V2 est de préférence comprise entre 1 et 200 kV. Le deuxième potentiel V2 est avantageusement proche de 0 V.
  • Les moyens d'extraction 12 comportent :
    • Une première électrode 13a disposée au niveau de l'extrémité avale 14 de la chambre plasma 3. Plus précisément, la première électrode 13a forme de préférence un anneau métallique solidaire de l'extrémité avale 14 de la chambre plasma 3. La première électrode 13a est percée par un orifice par lequel peuvent passer les ions qui sortent de la chambre plasma 3. La première électrode 13a est destinée à être placée au premier potentiel V1, c'est-à-dire au même potentiel que la chambre plasma 3;
    • Une deuxième électrode 13b disposée en aval de la première électrode 13a. La deuxième électrode 13b est de préférence également formée d'un anneau métallique percé en son centre. La deuxième électrode 13b est destinée à être placée à un potentiel variable Vvar pour ajuster finement les propriétés optiques du faisceau dès sa formation, au niveau du trou d'extraction ;
    • Une troisième et une cinquième électrodes 13c, 13e disposées en aval de la deuxième électrode 13b. La troisième et la cinquième électrodes 13c, 13e sont destinées à être placées au deuxième potentiel V2 ;
    • Une quatrième électrode 13d disposées entre la troisième et la cinquième électrode 13c, 13e. La quatrième électrode 13d est destinée à être placée à un potentiel négatif Vneg par rapport au potentiel de la ligne de transport afin d'éviter que les électrons produits par ionisation du gaz résiduel dans la ligne de transport ne retournent en direction de la chambre plasma 3.
  • Afin d'isoler les parties du dispositif qui sont à des potentiels différents, le dispositif comporte une structure isolante. Cette structure isolante comporte un tube céramique 17. Ce tube céramique 17 peut par exemple être réalisé en alumine. Le tube céramique 17 est de préférence fixé au tube métallique 1 par l'intermédiaire d'une bride d'entrée 28 annulaire solidaire du tube métallique 1. Le tube céramique 17 est de préférence fixé par des vis 29 à la bride d'entrée 28, de préférence par l'intermédiaire d'inserts métalliques.
  • Ce tube céramique 17 comporte de préférence une partie tubulaire interne 18 qui entoure le tube métallique 1. La partie tubulaire interne 18 est en contact avec le tube métallique 1, ce qui permet d'avoir un dispositif moins encombrant radialement et ce qui limite le risque de claquage dans le dispositif. Le tube céramique comporte également une partie tubulaire externe 19 concentrique de la partie tubulaire interne 18. La partie tubulaire externe 19 comporte de préférence une première partie cylindrique 19a qui entoure la partie tubulaire interne 18 et une deuxième partie 19b qui entoure au moins partiellement au moins une partie des électrodes des moyens d'extraction 12. Dans ce mode de réalisation, la deuxième partie cylindrique 19b entoure la première et la deuxième électrode 13a, 13b. La première électrode 13a est fixée sur le tube métallique 1. La deuxième électrode 13b est fixée sur la partie tubulaire externe 19b. Un anneau céramique 23 est intercalé entre la première et la deuxième électrode 13a, 13b afin de les isoler électriquement l'une de l'autre et afin d'éviter les claquages électriques.
  • Le dispositif comporte également une bride de connexion 21 permettant de fixer le dispositif à une ligne de transport des ions 22. La bride de connexion 21 est fixée au tube céramique 17. La bride de connexion 21 entoure de préférence les troisième, quatrième et cinquième électrodes 13c, 13d, 13e. Les troisième, quatrième et cinquième électrodes 13c, 13d, 13e sont de préférence fixées sur une bride d'entrée de la ligne de transport 22. Les troisième, quatrième et cinquième électrodes 13c, 13d, 13e peuvent être séparées les unes des autres soit par des gaps d'air et des entretoises isolées, soit par des anneaux céramiques.
  • Le dispositif comporte de préférence des moyens de connexion aptes à connecter la deuxième électrode 13b à des moyens de réglage du potentiel. Ces moyens de connexion permettent de polariser la deuxième électrode 11 b en la reliant à une alimentation haute tension.
  • Selon un mode de réalisation, les moyens de connexion comportent :
    • une prise de connexion 26 située sur une paroi extérieure latérale 27 du tube céramique 17;
    • un conduit de connexion radial 36 réalisé dans le tube céramique 17 ;
    • un conduit de connexion longitudinal 25 traversant longitudinalement le tube céramique 17.
  • Le conduit de connexion longitudinal 25 est de préférence formé par :
    • un premier orifice 33 creusé à travers l'anneau céramique 23 ;
    • un deuxième orifice 31 creusé à travers une collerette 32 en saillie radiale du tube métallique 1 ;
    • une rainure 30 creusée dans la paroi externe de la partie tubulaire interne 18. Le conduit de connexion est ainsi plus facile à réaliser ;
  • Le conduit de connexion longitudinal 25 et le conduit de connexion radial 36 sont traversés par un fil métallique 24 reliant la prise de connexion 26 à la deuxième électrode 13b.
  • Le fil métallique 24 comporte une première extrémité 34 pincée sur la deuxième électrode 11 b au moyen d'une vis. Le fil métallique 24 passe ensuite successivement dans le premier orifice 33, le deuxième orifice 31 et la rainure 30.
  • Le fil métallique traverse donc en particulier la collerette 32 du tube métallique 1. Or le fil métallique 24 n'est pas au même potentiel que la collerette 32. En effet, le fil métallique est au même potentiel que la deuxième électrode 13b, tandis que la collerette est au même potentiel que la chambre plasma. Le fil métallique est donc à un potentiel compris entre le premier potentiel V1 et le deuxième potentiel V2 tandis que la collerette 32 est au premier potentiel V1. Afin d'éviter tout claquage électrique, un manchon isolant 35 est inséré dans le deuxième orifice 31. Le manchon isolant 35 est donc intercalé entre la collerette 32 et le fil métallique 24. Le manchon isolant 35 est de préférence formé par un tube de verre. Ce manchon isolant 35 s'étend de part et d'autre du deuxième orifice 31, jusque dans les parties en alumine de part et d'autre de la collerette 32 afin d'éviter tout risque de contact entre le fil métallique 24 et la collerette 32.
  • Les moyens de génération du champ magnétique 8 entourent de préférence le tube céramique 17. Plus précisément, les moyens de génération du champ magnétique 8 sont de préférence situés au niveau de la chambre plasma 3. Ainsi, les moyens de génération du champ magnétique 8 entourent de préférence la chambre plasma 3 afin d'optimiser la génération du champ magnétique au niveau de la chambre plasma 3.
  • Le dispositif ainsi réalisé est compact longitudinalement et radialement. En effet, le volume global du dispositif a ainsi été divisé par dix par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Le dispositif présente en outre un risque de décharge de type Penning et de claquage limité. En outre, il permet de connecter la ligne de transport des ions 22 directement en sortie de la chambre plasma 3, ce qui permet d'avoir un faisceau de meilleure qualité et plus facilement contrôlable dans la ligne de transport des ions.
  • Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention.
  • Ainsi, en référence à la figure 5, le tube céramique 17 pourrait être formé d'une pièce d'un seul tenant au lieu d'être formé de deux parties tubulaires concentriques comme représenté sur les figures 1 à 4. Par ailleurs, toujours en référence à la figure 5, les moyens de connexion pourraient comporter :
    • une prise de connexion 26 située sur la bride d'entrée du dispositif;
    • un conduit de connexion longitudinal 25 traversant longitudinalement le tube céramique 17.

Claims (14)

  1. Dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant :
    - un tube métallique (1), le tube métallique (1) étant destiné à être placé à un premier potentiel (V1), le tube métallique (1) étant percé par :
    o une première cavité formant une chambre plasma (3) destinée à contenir un plasma;
    o une deuxième cavité reliée à la première cavité, la deuxième cavité formant un guide d'onde (4) agencé pour injecter une onde haute fréquence dans la chambre plasma (3),
    - des moyens d'extraction (12) agencés pour extraire des ions de la chambre plasma (3), les moyens d'extraction (12) comportant une extrémité amont (15) connectée à la chambre plasma (3) et une extrémité avale (16) pourvue d'une bride de connexion (21) destinée à être connectée à une ligne de transport des ions (22), la bride de connexion (21) étant destinée à être placée à un deuxième potentiel (V2) différent du premier potentiel (V1),
    - des moyens de génération (8) d'un champ magnétique configurés pour générer un champ magnétique dans la chambre plasma (3),
    - une structure isolante agencée pour isoler électriquement le tube métallique (1) de l'extrémité avale (16) des moyens d'extraction, la structure isolante comportant un tube céramique (17) en contact avec le tube métallique (1), le tube céramique (17) entourant le tube métallique (1) et au moins une partie des moyens d'extraction (12).
  2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les moyens d'extraction (12) comportent au moins:
    - une première électrode (13a) solidaire du tube métallique (1), la première électrode (13a) étant destinée à être placée au premier potentiel (V1),
    - une troisième électrode (13c) en aval de la première électrode (13b), la troisième électrode (13c) étant destinée à être placée au deuxième potentiel (V2) ;
    - une quatrième électrode (13d) en aval de la troisième électrode, la quatrième électrode (13d) étant destinée à être placée à un potentiel négatif (Vneg).
  3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les moyens d'extraction (12) comportent en outre une deuxième électrode (13b) disposée entre la première et la troisième électrode (13a, 13c), la deuxième électrode (13b) étant destinée à être placée à un potentiel variable (Vvar), la deuxième électrode (13b) étant apte à être reliée à des moyens de réglage du potentiel.
  4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième électrode (13b) est reliée au tube céramique (17), la deuxième électrode (13b) présentant une forme annulaire.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, comportant en outre un anneau céramique (23) intercalé entre la première (13a) et la deuxième électrode (13b).
  6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, le dispositif comportant des moyens de connexion aptes à connecter la deuxième électrode (13b) à des moyens de réglage du potentiel, les moyens de connexion comportant :
    - une prise de connexion (26) située à l'extérieur du tube céramique (17);
    - un conduit de connexion longitudinal (25) traversant longitudinalement le tube céramique (17), le conduit de connexion (25) étant traversé par un fil métallique (24) reliant la prise de connexion (26) à la deuxième électrode (13b).
  7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la prise de connexion est située sur une paroi extérieure latérale (27) du tube céramique, les moyens de connexion comportant en outre un conduit de connexion radial (36) reliant le conduit de connexion longitudinal à la prise de connexion (26).
  8. Dispositif selon la revendication 6, comportant en outre une bride d'entrée (28), la prise de connexion étant située sur une paroi extérieure de la bride d'entrée.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le tube céramique (17) comporte deux parties tubulaires (18, 19) concentriques.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le tube céramique (17) est formé par une pièce d'un seul tenant.
  11. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 10, dans lequel les moyens d'extraction comportent en outre une cinquième électrode (13e) en aval de la quatrième électrode (13c), la cinquième électrode (13e) étant destinée à être placée au deuxième potentiel (V2).
  12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la bride de connexion (21) est fixée sur le tube céramique (17).
  13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens de générations d'un champ magnétique (8) agencés pour générer un champ magnétique dans la chambre plasma (3), les moyens de génération du champ magnétique entourant le tube céramique (17), les moyens de génération du champ magnétique (8) étant situés au niveau de la chambre plasma (3).
  14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le tube métallique (1) est percé par un conduit (7) agencé pour permettre l'injection d'un gaz depuis l'extérieur du tube métallique (1) dans la chambre plasma (3).
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