FR2969372A1

FR2969372A1 - Dispositif d’ionisation a la resonance cyclotron electronique

Info

Publication number: FR2969372A1
Application number: FR1060984A
Authority: FR
Inventors: Jean Yves Pacquet; Laurent Maunoury
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-22
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: US20140001983A1; WO2012084968A1; FR2969372B1; EP2656368A1; US9265139B2

Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'ionisation (100, 100', 200, 200') à la résonance cyclotron électronique comportant une chambre étanche (2) sous vide destinée à contenir un plasma (15, 15'), des moyens d'injection (12, 16) d'une onde électromagnétique à l'intérieur de ladite chambre étanche ; une structure magnétique (20) pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre et pour générer un plasma (15, 15') suivant les lignes de champ magnétique, le module dudit champ magnétique présentant une configuration, de type miroir magnétique, avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique. Ledit dispositif (100, 100', 200, 200') étant caractérisé en ce que ladite chambre étanche (2) est un guide d'ondes dont la longueur L est supérieure ou égale à la longueur d'onde guide correspondant à la fréquence de l'onde électromagnétique injectée.

Description

Dispositif d'ionisation à la résonance cyclotron électronique.

La présente invention concerne un dispositif d'ionisation de particules à la résonance cyclotron électronique (ECR). Le dispositif selon l'invention trouve de nombreuses applications dans les domaines scientifique, médical, production d'ions, implantation, micro- gravure, dépôt sous vide, etc. Dans les sources à la résonance cyclotron électronique, les ions sont obtenus par ionisation des particules d'un milieu gazeux constitué par un ou plusieurs gaz, vapeurs métalliques ou molécules en phase vapeur, contenu dans une enceinte étanche à symétrie axiale, au moyen d'un plasma 1 o d'électrons fortement accélérés par résonance cyclotron électronique. La résonance cyclotron électronique est obtenue grâce à l'action conjuguée d'une onde électromagnétique de haute fréquence (HF), injectée dans l'enceinte, et d'un champ magnétique dont la configuration du module correspond à une configuration de type miroir magnétique dite configuration 15 à minimum B. Le profil de la configuration de type miroir magnétique présente au moins deux maxima (Bmax) à des abscisses situées respectivement dans les zones d'injection et d'extraction de la source, et un minimum (Bmin) situé entre les deux maxima (Bmax). Les deux maxima (Bmax) ont une valeur supérieure à la valeur du 20 champ magnétique (Bres) pour laquelle on obtient la résonance cyclotron électronique qui satisfait la condition Bres = f.2nm/e où e représente la charge de l'électron, m la masse de l'électron et f la fréquence de l'onde électromagnétique HF. Le minimum (Bmin) a une valeur égale, ou inférieure, à la valeur pour 25 laquelle on obtient la résonance cyclotron électronique Il est connu des sources d'ions multichargés à la résonnance cyclotron électronique de type guide d'ondes telles que la source décrite dans le brevet EP 0527082.

Dans le brevet EP 0527082, l'introduction de l'onde électromagnétique de haute fréquence peut être assurée, soit par une transition coaxiale, soit par injection directe, à partir d'un guide d'ondes rectangulaire ou circulaire en mode fondamental. Selon l'invention décrite, l'enceinte présente, selon son plan médian, une section sensiblement égale à celle du guide d'ondes assurant l'injection du champ électromagnétique dans l'enceinte et la propagation de l'onde dans l'enceinte, appelée enceinte guide d'ondes. L'utilisation de l'enceinte comme guide d'ondes permet la propagation de l'onde HF dans toute l'enceinte de confinement et ainsi la formation d'un plasma à l'endroit où les conditions RCE sont réunies. Il est également prévu dans le brevet EP 0527082 d'utiliser un arrangement spécifique d'aimants permanents à symétrie axiale permettant de s'affranchir de l'utilisation de solénoïdes et permettant la réalisation d'une source simple et de faible encombrement.

Toutefois, l'utilisation de ces sources d'ions nécessite l'injection d'un gaz ou d'une vapeur métallique dans l'enceinte de confinement pour amorcer et entretenir le plasma à la résonance cyclotron électronique. L'injection du gaz dans l'enceinte doit être réalisée dans des conditions permettant d'assurer une pression minimale de l'ordre de 10-4 mbar dans l'enceinte de confinement afin d'assurer l'amorçage du plasma. Ainsi, l'utilisation de ce type de source d'ions occasionne des opérations de réglages et d'ajustements de la pression de l'enceinte de confinement avant l'injection du gaz de façon à disposer de la pression requise pour l'amorçage du plasma.

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dispositif d'ionisation permettant de s'affranchir de l'injection d'un gaz dans l'enceinte préalablement à l'amorçage du plasma, ainsi que de la nécessité de contrôler la pression de l'enceinte à une pression de l'ordre de 10-4 mbar. A cette fin, l'invention propose un dispositif d'ionisation à la résonance cyclotron électronique comportant : - une chambre étanche sous vide destinée à contenir un plasma, - des moyens d'injection d'une onde électromagnétique à l'intérieur de ladite chambre étanche ; - une structure magnétique pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre et pour générer un plasma suivant les lignes de champ magnétique, le module dudit champ magnétique présentant une configuration, de type miroir magnétique, avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite chambre étanche est un guide d'ondes dont la longueur L est supérieure ou égale à la longueur 1 o d'onde guide correspondant à la fréquence de l'onde électromagnétique injectée. On entend par chambre étanche sous vide une chambre dans laquelle règne une pression de travail inférieure ou égale à 10-4 mbar. On entend par longueur d'onde guide, la longueur Lg définit par la 15 relation suivante : C fréquencetravail2 - fréquencecoupure2 ) où : - c correspond à la vitesse de la lumière, exprimée en kilomètre/seconde ; 20 - fréquencetravall correspond à la fréquence de l'onde électromagnétique injectée, exprimée en MHz ; - fréquencecOUpure correspond à la fréquence pour laquelle la puissance transmise est atténuée de -3dB, exprimée en MHz. La fréquence de coupure est définie selon la relation suivante : 1,841 c fréquencecOupure = où : - D correspond au diamètre de la chambre guide d'ondes, exprimé millimètre. Les notions de fréquence de coupure et de longueur d'onde guides 30 sont notamment détaillées dans le document « Waveguide Handbook (IEEE Lg = 25 (r - D) Electromagnetic Waves Series 21) ; Author : Nathan Marcuvitz ; ISBN : 0863410588 ; Publisher : The Institution of Engineering and Technology » Grâce à l'invention, il est possible d'amorcer sans difficulté un plasma à la résonance cyclotron électronique dans une chambre étanche où règne une pression inférieure à 10-4 mbar, avantageusement entre 10-5 mbar et 10' mbar, sans avoir besoin d'injecter, préalablement à l'amorçage du plasma RCE, du gaz dans la chambre étanche. Grâce à l'invention, le plasma peut être amorcé par les particules présentes dans la chambre étanche. La chambre étanche est une chambre dite guide d'ondes, permettant d'obtenir une propagation de l'onde HF sur toute la longueur de la chambre. Les dimensions de la chambre étanche sont dépendantes de la fréquence de l'onde HF de travail du dispositif d'ionisation. Ainsi, le diamètre D de la chambre est tel que le rapport D/2 est supérieur ou égal à 1.841/7[ = 0,59 où représente la longueur d'onde de l'onde électromagnétique HF satisfaisant à la condition de résonance. La longueur minimale L de la chambre dépend du diamètre et correspond au moins à la longueur d'onde guide Lg définit par la relation : LLg= \/( fiéquencetravail2 - /' équenCecoupure2) Le transport de l'onde électromagnétique HF est assuré par la chambre étanche de type guide d'ondes, il n'est donc plus nécessaire de maintenir une pression minimale dans la chambre à plasma pour amorcer et/ou entretenir le plasma. Le dispositif d'ionisation selon l'invention peut être utilisé avantageusement pour la réalisation non seulement d'une source d'ions multichargés compacte fonctionnant à une fréquence supérieure à 6 GHz mais également d'une source d'ions mono-chargés ou peu multichargés fonctionnant à basse fréquence, c'est-à-dire à une fréquence inférieure à 6 GHz. La fréquence de fonctionnement du dispositif d'ionisation est fonction 30 des dimensions de la chambre étanche formant le guide d'ondes. A titre d'exemple, pour une fréquence de fonctionnement de 30GHz : le diamètre D c de la chambre est supérieur ou égal à 5.9 mm, pour une fréquence de fonctionnement de 2,45GHz : le diamètre D de la chambre est supérieur ou égale à 72.3 mm, et pour une fréquence d'1 GHz : le diamètre D de la chambre est supérieur ou égal à 177 mm.

Pour une fréquence donnée, et si les conditions environnementales ou extérieures l'exigent, il est possible de modifier la longueur L de la chambre tout en s'assurant que la longueur L est toujours supérieure ou égale à la longueur d'onde guide Lg. Le dispositif selon l'invention peut avantageusement être utilisé pour 1 o l'ionisation de particules en phase gazeuse permettant le contrôle des particules ionisées afin de les utiliser à une fonction désirée. Ainsi, le dispositif d'ionisation selon l'invention peut être avantageusement associé à un autre dispositif d'ionisation connu, tel que par exemple un générateur d'ions, de façon à réaliser une fonction d'ionisation 15 supplémentaire ou encore une fonction de contrôles des trajectoires de particules chargées. Le dispositif d'ionisation selon l'invention permet d'obtenir des sources d'ions efficaces, compactes et peu chères pouvant fonctionner soit à des fréquences élevées (i.e. > 6 GHz) soit à des basses fréquences (i.e. < 6GHz) 20 selon que l'utilisateur a besoin de contrôler des ions mono-chargés ou multichargés. Le dispositif d'ionisation selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 25 - ladite chambre étanche est un guide d'ondes circulaire dont le diamètre D est supérieure ou égale à 0,59X, où X représente la longueur d'onde de l'onde électromagnétique injectée ; - ladite onde électromagnétique injectée est une onde haute-fréquence supérieure ou égale à 6GHz ; 3o - ladite onde électromagnétique injectée est une onde basse-fréquence inférieure à 6GHz ; - lesdits moyens d'injection comportent un guide d'ondes agencé pour injecter de façon coaxiale l'onde électromagnétique haute-fréquence dans la chambre étanche selon l'axe longitudinal de ladite chambre étanche ; - lesdits moyens d'injection comportent un guide d'ondes agencé pour injecter l'onde électromagnétique haute-fréquence de façon perpendiculaire à l'axe longitudinal de ladite chambre étanche ; ledit dispositif comporte à proximité dudit plasma au moins une électrode polarisée négativement. 1 o L'invention a également pour objet une source d'ions comportant une chambre étanche sous vide traversée par des ions de haute énergie caractérisée en ce qu'elle comporte : - un dispositif d'ionisation selon l'invention apte à ioniser des particules neutres Pn présentes à l'intérieur de l'enceinte de la source d'ion ; 15 - une électrode polarisée positivement apte à repousser les particules pn+ ionisées par le dispositif d'ionisation et apte à être transparent aux ions de haute énergie traversant ladite source d'ions. La source d'ions selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou 20 selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ladite source d'ions comporte un générateur d'ions produisant des ions de haute énergie ; - ladite électrode polarisée positivement est à un potentiel électrique choisi de sorte que ledit potentiel électrique ne vienne pas perturber la 25 formation et/ou l'entretien du plasma dudit dispositif d'ionisation ; - ledit potentiel électrique de ladite électrode polarisée positivement est inférieur ou égal à 15 Volts ; - ladite source d'ions comporte une électrode polarisée négativement apte à accélérer les particules Pn+ ionisées par le dispositif d'ionisation ; 30 - ladite source d'ions comporte des moyens de pompage pour extraire les particules neutres Pn et les particules Pn+ après neutralisation présentes dans l'enceinte de ladite source d'ions ; - ladite source d'ions comporte : - une chambre étanche sous vide destinée à contenir au moins un plasma, - un premier et un deuxième dispositif d'ionisation, selon l'invention, aptes à ioniser des particules neutres Pn présentes à l'intérieur de la source d'ions ; lesdits dispositifs d'ionisation étant positionnés de part et d'autre de ladite chambre étanche, - une fenêtre d'accès dans ladite enceinte positionnée entre les deux dispositifs d'ionisation pour l'introduction de particules Pn 1 o aptes à être ionisées par lesdits dispositifs d'ionisation et/ou d'ions I aptes à interagir avec les ions de haute énergie traversant ladite source d'ions ; - une deuxième électrode polarisée positivement aptes à repousser les particules pn+ ionisées par les dispositifs d'ionisation et aptes à 15 être transparent aux ions de haute énergie produits par ledit générateur d'ions ; lesdites électrodes étant positionnées de part et d'autre de ladite chambre de sorte que les particules Pn, Pn+ et/ou les ions I restent confiné(e)s entre lesdites deux électrodes polarisées tant que lesdites particules Pn, Pn+ et/ou les ions I ne 20 sont pas redirigé(e)s vers l'extérieur de ladite source d'ions ; - ladite source d'ions comporte un séparateur de particules positionné entre le générateur d'ions et le dispositif d'ionisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et 25 nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'ionisation selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif d'ionisation selon l'invention ; 30 - la figure 3 est une représentation schématique d'un premier exemple d'utilisation du dispositif d'ionisation, illustré aux figures 1 et 2, comme filtre à particules dans une ligne de transport de particules chargées de haute énergie ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un deuxième exemple d'utilisation du dispositif d'ionisation, illustré aux figures 1 et 2, permettant d'augmenter significativement la probabilité d'interactions entre les particules neutres ou ionisées ; - la figure 5 est une représentation schématique d'un troisième exemple d'utilisation du dispositif d'ionisation, illustré aux figures 1 et 2, permettant d'augmenter le rendement d'un générateur d'ions pour un 1 o état de charge donné. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. La figure 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'ionisation selon l'invention. 15 Le dispositif d'ionisation 100 tel qu'illustré comporte de façon connue : - une chambre étanche 2 rectiligne, de section circulaire, (appelée indifféremment enceinte par la suite) sous vide ; - des couronnes d'aimants permanents 3, 4, 5, 6, 7 placées autour de la chambre 2 ; 20 - des moyens de couplage 11 permettant de coupler un guide d'onde 12 de forme rectangulaire à la chambre 2 de section circulaire. La chambre 2 est sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc. Afin d'avoir le moins d'impuretés possible dans la chambre 2, un vide résiduel de 10-4 mbar minimum est nécessaire. On peut toutefois 25 abaisser davantage ce vide (typiquement jusqu'à 10-' mbar) pour réduire davantage le nombre d'impuretés présentes dans la chambre 2. Pendant le fonctionnement du dispositif d'ionisation 100, la pression de travail dans la chambre 2 est typiquement égale au vide résiduel, le vide résiduel de la chambre 2 n'étant pas perturbé ou modifié par une pression 30 partielle de gaz supplémentaire injecté dans la chambre 2 comme décrit dans le brevet EP 0527082.

Dans ce premier exemple de réalisation, la structure magnétique 20 est formée par les cinq couronnes d'aimants permanents 3, 4, 5, 6, 7 entourant la chambre 2, Toutefois, la structure magnétique 20 du dispositif 100 peut également être formée par des bobines conventionnelles, des bobines supraconductrices ou encore par un ensemble formé par des aimants permanents et des bobines permettant d'engendrer un champ magnétique susceptible de créer des conditions RCE dans la chambre 2. La structure magnétique 20 produit à l'intérieur de la chambre 2 un champ magnétique axial dont la configuration du module correspond à une 1 o configuration de type miroir magnétique dont le profil présente au moins deux maxima (Bmax) à des abscisses situées respectivement au niveau des aimants permanents 3 et 6 et un minimum (Bmin) étendu ou ponctuel situé entre les deux maxima (Bmax) à l'intérieur de la chambre 2. Les deux maxima (Bmax) ont une valeur supérieure à la valeur du 15 champ magnétique (Bres) pour laquelle on obtient la résonance cyclotron électronique. Le minimum (Bmin) est égal ou inférieur à la valeur pour laquelle on obtient la résonance cyclotron électronique de sorte qu'il existe dans la chambre au moins une zone dans laquelle la valeur du champ magnétique axial est égale à la valeur du champ magnétique (Bres) pour laquelle on 20 obtient la résonance cyclotron électronique. La configuration de miroir magnétique est une configuration dite à minimum-B : les électrons du plasma 15 sont confinés dans un puits magnétique. Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, au passage 25 de la zone de résonance, une partie des particules vont être ionisées. Les microondes (i.e les ondes HF) injectées dans la chambre 2 se propagent jusqu'à la zone de résonance. En effet, le transfert d'énergie de la puissance microonde injectée aux électrons du plasma se produit en un lieu de champ magnétique (Bres) tel que la condition de résonance cyclotron 30 électronique soit établie, c'est-à-dire lorsqu'il y a égalité entre la pulsation de l'onde haute fréquence WHF et la pulsation cyclotronique de l'électron : WHF = Wce = qe Bres/me où qe est la charge de l'électron (Cb) ; Bres est le champ magnétique correspondant à la résonance (T) ; me est la masse de l'électron. Un générateur de microondes (non représenté) est placé à l'extérieur de la chambre 2 ; ce générateur injecte des ondes hautes fréquences (HF) dans la chambre 2 via les moyens de couplage 11 permettant de coupler le guide d'onde 12 du générateur de microondes à la chambre 2 de type guide d'ondes. Dans ce premier exemple de réalisation, les moyens de couplage 11 1 o permettent de coupler le guide d'ondes 12 de forme rectangulaire à la chambre 2 de section circulaire de type guide d'ondes. Selon un autre exemple de réalisation, les moyens de couplage peuvent permettre de coupler un guide d'ondes circulaire positionné de façon coaxiale par rapport à la chambre 2 circulaire. 15 La chambre 2 forme un guide d'ondes circulaire de sorte que l'onde HF est transportée sur toute la longueur L de la chambre 2, et notamment jusqu'à un endroit de la chambre 2 où les conditions RCE sont réunies pour la formation du plasma 15. Le couplage, ou la transition, entre le guide d'ondes du générateur de 20 microondes et la chambre 2 de type guide d'ondes est réalisé(e) selon l'axe longitudinal du guide d'ondes circulaire formé par la chambre 2. La chambre étanche 2 étant une chambre dite guide d'ondes, elle permet le transport de l'onde HF et ainsi de s'affranchir de l'utilisation d'un moyen d'injection d'ondes HF dans la chambre à plasma au plus près de la 25 zone où les conditions RCE sont réunies. Les dimensions de la chambre 2, c'est-à-dire le diamètre D et la longueur L, sont fonction de la fréquence de résonance de travail du dispositif. Le diamètre D de la chambre 2 est déterminé de façon à respecter la condition suivante : 30 fréquencetravail ? fréquencec0 p Ye (1) La longueur minimale L de la chambre correspond au moins à la longueur d'onde « guide » Lg, c'est-à-dire : Lg = ~ fy 2~ (2) NI( fiéquencetravailz - /' equenCecoupure Ainsi, les dimensions de l'enceinte de confinement du plasma ne sont limitées que par les plus petites dimensions d'un guide d'ondes, rectangulaire ou circulaire, correspondant à la fréquence électromagnétique utilisée. L'espace dans lequel le plasma 15 est créé se situe dans une section de la chambre 2 de section circulaire et rectiligne dans lequel les conditions RCE sont réunies. Physiquement, il n'y a pas de discontinuité géométrique entre la zone du plasma RCE et le reste de la chambre 2 formant le guide d'ondes. La chambre 2 est formée par un tube dont la longueur maximale n'est pas définie mais dont la longueur minimale doit être égale ou supérieure à la longueur d'onde guide selon la relation (2). Le dispositif illustré à la figure 1 se caractérise par l'absence d'un dispositif (tube, anneau, pièce de métal) polarisé négativement habituellement présent au niveau de l'injection au plus près du plasma. Généralement, la polarisation négative au niveau de l'injection permet d'optimiser les performances du dispositif d'ionisation ou de la source d'ions notamment en ce qui concerne la production d'ions multichargés. Mais dans le cas d'une chambre de type guide d'ondes telle que décrite, la présence d'un dispositif polarisé négativement ou d'un autre système d'optimisation des performances perturberait la propagation de l'onde HF dans la chambre 2. En contrepartie et afin d'optimiser les performances du dispositif, le dispositif d'ionisation selon l'invention peut comporter une électrode plasma 13 polarisée négativement, située au niveau de l'extraction des ions du dispositif de ionisation. L'électrode plasma 13 est polarisée négativement par rapport à la chambre 2, à une différence de potentielle de quelques volts à 500V, voire plus. Le dispositif peut également comporter une électrode d'accélération 3o 14 polarisée négativement pour accélérer les particules ionisées à l'énergie voulue. L'électrode d'accélération 14 est avantageusement polarisée à une différence de potentiel de l'ordre de quelques centaines de volts à plusieurs dizaines de milliers de volts). Avantageusement, la forme rectiligne de la chambre 2 pouvant être de grande longueur permet d'adapter le positionnement de la structure magnétique 20 par rapport à la chambre 2 de façon à placer la zone de chauffage des électrons et par conséquent le plasma en fonction des besoins de l'utilisateur. Cette caractéristique donne la possibilité par exemple d'optimiser la position de la zone où les conditions RCE sont réunies par rapport à l'électrode plasma, par rapport à un système optique, tel que des lentilles d'adaptation d'un faisceau, le positionnement par rapport à un espace expérimental, ou encore par rapport à un système physique déterminé, permettant par exemple de disposer d'un système magnétique mobile pour le démontage du dispositif.

De façon classique, le dispositif d'ionisation 100 selon l'invention comporte des accès qui sont aménagés sur la chambre 2 pour l'introduction de gaz, l'extraction ou le contrôle des ions, etc. La figure 2 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 100 et 200 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 200 selon ce second mode de réalisation se différencie du dispositif 100 de la figure 1 en ce que les ondes hautes fréquences (HF) sont introduites latéralement dans la chambre 2 via un guide d'ondes rectangulaire 16. Dans cette variante, l'onde HF est donc introduite dans la chambre 2 perpendiculairement à son axe longitudinal par un guide d'ondes 16 débouchant directement sur la chambre 2 à plasma ou encore par une transition coaxiale avec la chambre 2. Une fenêtre HF ou un passage HF étanche permet de maintenir le vide dans la chambre 2 à plasma. La figure 3 est une représentation schématique d'un premier exemple 30 d'utilisation du dispositif d'ionisation, illustré aux figures 1 et 2. Dans ce premier exemple, le dispositif d'ionisation 100, 200 est utilisé comme filtre à particules par ionisation dans une ligne de transport 300 de particules chargées de haute énergie 35. Dans ce premier exemple d'utilisation, le système est une ligne de transport 300 d'un faisceau d'ions de haute énergie dans laquelle est incorporé le dispositif 100, 200 selon l'invention. Dans cet exemple, le dispositif d'ionisation 100, 200 est utilisé sur une ligne de transport 300 d'un faisceau d'ions de haute énergie d'une source d'ions, pour extraire les particules non désirées venant polluer, altérer la qualité du faisceau d'ions ou venant polluer les dispositifs en aval sur la ligne 1 o de transport. Le principe consiste à utiliser le dispositif 100, 200 selon l'invention pour ioniser les particules neutres présentes dans la ligne de transport 300 afin de pouvoir contrôler leur trajectoire et notamment les repousser de façon à éviter que ces particules neutres viennent polluer le faisceau d'ions 15 multichargés, notamment au niveau de l'extraction des ions mais également pour empêcher que ces particules neutres migrent de l'enceinte A vers l'enceinte B de la ligne de transport 300 (figure 3). A cet effet, la ligne de transport 300 est formée notamment par : - une première enceinte à vide A ; 20 - une deuxième enceinte à vide B positionnée dans la continuité et de façon coaxiale à la première enceinte A ; - un dispositif d'ionisation 100, 200 selon l'invention présentant une chambre 31 positionné entre l'enceinte A et l'enceinte B et de façon coaxiale de sorte que les enceintes A et B et la chambre 31 du 25 dispositif d'ionisation 100, 200 présentent une continuité physique ; - une fenêtre de sortie 36 présente dans l'enceinte A pour l'extraction des particules neutres polluantes, c'est-à-dire des particules non désirées au niveau de la ligne de transport 300. Le sens de circulation des ions de haute énergie produits dans la ligne 30 de transport 300 est représenté par la flèche continue 35 illustré à la figure 3. Les ions de haute énergie traversent de part et d'autre le système en allant de l'enceinte A vers l'enceinte B.

La chambre 31 respectant les conditions de diamètres et de longueur décrit précédemment pour que la chambre 31 forme une chambre étanche sous vide de type guide d'ondes. Selon un autre mode de réalisation, la ligne de transport est formée par une unique enceinte à vide segmentée en plusieurs zones selon la répartition décrite précédemment. La structure magnétique 20 du dispositif d'ionisation 100, 200 est positionnée de sorte que des conditions RCE soient présentes dans une partie de la chambre 31 conduisant à la formation d'un plasma RCE. La chambre 31 et la structure magnétique forment ainsi le dispositif d'ionisation 100, 200. Il est nécessaire que la chambre 31 respecte les conditions de diamètre et de longueur du guide d'onde correspondant à la fréquence de travail. Au-delà de la chambre 31, l'enceinte A et l'enceinte B peuvent avoir différentes formes pour s'adapter à différentes exigences d'utilisation. Les particules neutres Pn présentes dans l'enceinte A effusent vers le dispositif d'ionisation 100, 200 et plus particulièrement vers la chambre 31 présentant les conditions RCE et dans laquelle le plasma 15 est entretenu. Les particules neutres Pn sont alors ionisées en particules Pn+ par le plasma 15 du dispositif d'ionisation 100, 200. Ainsi, une fois les particules neutres Pn ionisées en particules Pn+ leurs trajectoires peuvent être contrôlées par exemple par l'utilisation d'une pluralité de diaphragmes polarisés ou d'électrodes polarisées disposé(e)s de part et d'autre du plasma 15.

Dans le premier exemple d'utilisation, le dispositif d'ionisation 100, 200 est associé à une électrode polarisée 34, polarisée positivement, de quelques volts, et positionnée après la zone RCE, c'est-à-dire en aval du plasma 15 par rapport à la direction donnée par la flèche 35 symbolisant le déplacement des ions haute énergie.

L'électrode 34 fait donc office de séparation entre l'ensemble enceinte A - chambre 31, pouvant comporter une multitude de particules indésirables résultant par exemple d'une ionisation principale incomplète, et l'enceinte B dans laquelle le faisceau d'ions est purifié, les particules indésirables ionisées dans la chambre 31 par le plasma 15 du dispositif de ionisation sont ensuite repoussées dans l'enceinte A par l'électrode polarisée 34.

En effet, l'électrode 34 polarisée positivement va repousser les particules ionisées pn+ par répulsion dans la chambre 31. Ces particules ionisées pn+ sont neutralisées puis extraites vers l'enceinte A et évacuées par la fenêtre de sortie 36, de sorte que les particules volatiles ne polluent pas l'enceinte B ainsi que le faisceau d'ions de haute énergie en sortie de la 1 o ligne de transport 300. De plus, les particules neutres Pn résiduelles éventuellement présentes dans l'enceinte B peuvent effuser librement de l'enceinte B à l'enceinte A. Dans ce cas, les particules neutres Pn provenant de l'enceinte B vont également être ionisées en particules chargées pn+ par le plasma 15 15 dans la chambre 31 puis être envoyées dans l'enceinte A par l'électrode 34 polarisée. L'électrode 34 est faiblement polarisée, c'est-à-dire que la différence de potentiel aux bornes de l'électrode est choisie de façon à ne pas venir perturber la formation et l'entretien du plasma 15. De façon avantageuse, la 20 différence de potentiel aux bornes de l'électrode est inférieure ou égale à 5 Volts. L'électrode 34 faiblement polarisée a pour avantage de ne pas repousser les ions de haute énergie qui sont suffisamment énergétiques pour passer au travers de l'électrode polarisée 34. 25 Le faisceau d'ions 35 de haute énergie n'est également pas perturbé par le plasma 15 qui est un plasma de faible densité. Les particules ionisées pn+ piégées dans l'enceinte A sont alors pompées, après neutralisation avec les parois, par un système de pompage (non représenté) ad-hoc via la fenêtre de sortie 36 aménagée dans l'enceinte 30 A en amont de la chambre à plasma 31. Afin d'augmenter l'efficacité du système, il est également possible d'ajouter une seconde électrode polarisée 33 en amont du plasma 15. Cette fois, l'électrode 33 est polarisée négativement de sorte qu'elle provoque une accélération des particules ionisées Pn-', dans le sens inverse de déplacement des ions de haute énergie, en vue de guider plus facilement les particules ionisées non désirées vers le système de pompage.

Ainsi, le dispositif d'ionisation 100, 200 permet dans cette application de limiter l'effusion des particules neutres Pn d'une première enceinte à une deuxième enceinte alors que les deux enceintes communiquent physiquement ensemble, c'est-à-dire qu'elles présentent une continuité physique. Dans cet exemple d'utilisation, l'efficacité du système est 1 o supérieure à 90% grâce à l'utilisation complémentaire d'une électrode polarisée situé en aval du plasma. Dans ce premier exemple d'utilisation, le dispositif d'ionisation est avantageusement un dispositif d'ionisation 200 comportant une introduction latérale des ondes hautes fréquences dans la chambre 31, tel que décrit en 15 référence à la figure 2. Toutefois, une introduction axiale des ondes hautes fréquences de façon coaxiale dans la chambre 31 est également possible. Ainsi, l'effusion contrôlée des particules en phase gazeuse telle que décrit en référence à la figure 3 peut également être utilisée pour : - l'isolement moléculaire d'enceintes à vide ; 20 - le pompage de gaz en évitant leur effusion dans d'autres enceintes ; - le recyclage, la récupération, la concentration ou la réutilisation de particules en phase gazeuse nécessaires à un processus particulier ; - le remplacement de l'utilisation d'une technologie cryogénie complexe avec des panneaux cryogéniques pour le piégeage sélectif de 25 particules ou de son utilisation de façon complémentaire. La figure 4 est une représentation schématique d'un deuxième exemple d'application ou d'utilisation du dispositif d'ionisation décrit précédemment aux figures 1 et 2. Dans cet exemple, le dispositif d'ionisation est utilisé pour augmenter la probabilité d'interaction entre un faisceau d'ions 30 de haute énergie I avec des particules neutres Pn, ou chargées Pn+ oscillant entre deux dispositifs d'ionisation 100, 200 selon l'invention.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'ionisation selon l'invention peut également être utilisé pour augmenter la probabilité d'interaction entre un faisceau d'ions de haute énergie I avec des ions.

Dans ce deuxième exemple d'application deux dispositifs d'ionisation 100, 200 et 100', 200', sont combinés de part et d'autre d'une chambre à vide 40 entre une enceinte A et une enceinte B. En amont de la chambre à vide 40, on retrouve une enceinte A par laquelle un faisceau d'ions multichargés 35 est acheminé. Le faisceau d'ions 35 est issu d'un générateur d'ions situé en amont de l'enceinte A et traverse le système 400 de part et d'autre en vue d'atteindre l'enceinte à vide B. A cet effet, le faisceau d'ions de haute énergie issu du générateur d'ions traverse un premier plasma 15 de faible densité du premier dispositif d'ionisation 100, 200 puis un deuxième plasma 15' de faible densité du deuxième dispositif d'ionisation 100', 200' pour atteindre l'enceinte à vide B. De façon similaire au système décrit précédemment à la figure 3, la limitation entre la chambre à vide 40 et l'enceinte à vide B est réalisée par une électrode polarisée 34, telle que décrite précédemment, et la limitation entre la chambre à vide 40 et l'enceinte à vide A est réalisée par une deuxième électrode polarisée 34'. Ainsi, les électrodes polarisées 34 et 34' sont utilisées pour repousser les particules ionisées pn+ faiblement chargées par les plasmas 15 et 15' et ainsi les extraire dans la chambre à vide 40 via les électrodes 33, 33' tout en permettant le passage des ions de haute énergie dans l'enceinte à vide B.

La chambre 40 est une chambre étanche dont les dimensions et la forme respectent les conditions de guide d'ondes décrites précédemment, au niveau des zones où les conditions RCE sont réunies. Dans la zone centrale de la chambre à vide 40, c'est-à-dire entre les deux dispositifs d'ionisation 100, 200 et 100', 200', la chambre 40 comporte une fenêtre d'entrée 45 permettant d'injecter des particules neutres Pn ou ions I dans la chambre 40. Les particules neutres Pn injectées vont effuser vers les plasmas 15, 15' des dispositifs d'ionisation, 100, 200, 100', 200'.

Selon le mode de réalisation dans lequel, le dispositif d'ionisation est utilisé pour augmenter la probabilité d'interaction entre le faisceau d'ions de haute énergie 35 avec des ions, la fenêtre d'entrée 45 permet d'injecter les ions de faible énergie dans la chambre à plasma. Les ions de faible énergie vont alors après neutralisation effuser vers les plasmas 15, 15' des dispositifs d'ionisation 100, 100' et 200, 200'. Afin d'augmenter l'efficacité du système, il est également possible d'ajouter des électrodes polarisées 33, 33' à proximité des plasmas 15, 15' et de façon opposée aux électrodes polarisées 34, 34'. Les électrodes 33, 33' 1 o sont polarisées négativement de sorte qu'elles provoquent une accélération des particules ionisées pn+ dans la chambre 40 vers le plasma opposé. Ainsi, le système 400 décrit permet de : - contrôler la qualité et la quantité de la population atomique et moléculaire dans la chambre 40 entre deux dispositifs d'ionisation 15 100, 100' et 200, 200' ; - contrôler l'efficacité d'une réaction de particules injectées avec d'autres éléments : les particules ayant non réagi sont renvoyées entre les deux plasmas jusqu'à l'interaction avec d'autres éléments ; - diminuer ou augmenter le flux moléculaire de système sous vide en 20 utilisant les dispositifs d'ionisation des particules. Dans ce cas particulier, le trajet des particules ionisées pn+ est contrôlé permettant ainsi de modifier les flux de particules imposés par les conductances en régime moléculaire. La figure 5 est une représentation schématique d'un troisième 25 exemple d'utilisation du dispositif d'ionisation, décrit en référence aux figures 1 et 2, permettant pour les éléments volatiles d'augmenter le rendement d'un générateur d'ions pour un état de charge donné. Dans le cas particulier des sources RCE d'ions, une partie du gaz d'intérêt peut ne pas être totalement ionisé par le plasma du générateur 3o d'ions 500 et certains ions d'intérêt peuvent être neutralisés lors de la recombinaison des ions par collision avec des particules neutres du gaz non ionisé ou encore par impact des ions avec des parois du générateur d'ions 500, ce qui a pour conséquence de diminuer l'efficacité du générateur d'ions 500. Le système 600 comportant un dispositif d'ionisation 100 ou 200 en aval du générateur d'ions 500 permet de réinjecter les particules du gaz d'intérêt dans le générateur d'ions 500 afin d'augmenter son efficacité. En effet, grâce au dispositif d'ionisation 100, 200 selon l'invention, les particules neutres Pn issues des gaz non ionisés, les ions d'intérêt 1+ neutralisés par collision avec les parois ou encore les ions ne présentant pas le bon rapport masse/charge dans le cas d'une source d'ions multichargés sont renvoyés vers le générateur d'ions 500. Dans cet exemple d'utilisation, le dispositif d'ionisation est avantageusement un dispositif d'ionisation 200 comportant une introduction latérale des ondes hautes fréquences via une fenêtre 517 dans la chambre à plasma 531, tel que décrit en référence à la figure 2. Toutefois, une introduction axiale des ondes hautes fréquences de façon coaxiale dans la chambre 531 est également possible. Dans le cas d'un générateur d'ions multichargés, les ions ne présentant pas le bon rapport masse/charge sont renvoyés vers le générateur d'ions 500 après séparation et neutralisation au moyen d'un séparateur tel qu'un spectromètre de masse 516 ou autre séparateur connu positionné entre le générateur d'ions 500 et le dispositif d'ionisation 200. Quant aux particules neutres Pn, issues du gaz non ionisé ou provenant des ions neutralisés par impact sur les parois ou avec d'autres éléments présents dans la chambre 531, elles sont ionisées en particules pn+ par le plasma 15 de faible densité du dispositif d'ionisation puis repoussées jusqu'à la chambre à plasma 515 du générateur d'ions 500 au moyen d'une électrode polarisée 34, polarisée positivement, positionnée en aval du plasma 15 et d'une électrode d'accélération 33 polarisée négativement. D'autres moyens de renvoi des particules ionisées par le plasma 15 peuvent utilisés comme par exemple une pompe, ...Ainsi, une particule de gaz d'intérêt peut subir plusieurs cycles d'ionisation-neutralisation-ionisation avant d'obtenir l'état de charge désiré.

Le dispositif selon l'invention permet la transformation efficace, c'est-à-dire sans perte, du gaz injecté en ions d'intérêt présentant préférentiellement un seul état de charge obtenu éventuellement par plusieurs cycles d'ionisation-neutralisation-ionisation. Ainsi, les ions produits avec ce principe sont ionisés à des temps différents mais ils ont la même origine et présentent la même énergie. Ainsi, le système 600 tel que décrit serait adapté à la production d'ions isotopique onéreux ou encore à l'utilisation de gaz dangereux comme gaz de support ou comme gaz d'intérêt.

Ainsi, pour un même flux de gaz injecté dans un générateur d'ions quelconque, le dispositif d'ionisation selon l'invention permet d'augmenter son efficacité d'ionisation sur un état de charge donné. Le dispositif d'ionisation selon l'invention permet donc de palier facilement à la faible efficacité d'ionisation d'un générateur d'ions, quelque soit son type, tout en s'affranchissant des coûts important et des problèmes d'implantation d'un tel générateur. L'invention a été particulièrement décrite avec l'injection d'une onde électromagnétique HF, c'est-à-dire supérieure ou égale à 6GHz, toutefois, l'invention est également applicable avec une onde électromagnétique dite basse fréquence (type RF) inférieure à 6GHz tant que la condition L Lg est respectée. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif d'ionisation (100, 100', 200, 200') à la résonance cyclotron électronique comportant : - une chambre étanche (2) sous vide destinée à contenir un plasma (15, 15'), des moyens d'injection (12, 16) d'une onde électromagnétique à l'intérieur de ladite chambre étanche ; une structure magnétique (20) pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre et pour générer un plasma (15, 15') suivant les lignes de champ magnétique, le module dudit champ magnétique présentant une configuration, de type miroir magnétique, avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique ; ledit dispositif (100, 100', 200, 200') étant caractérisé en ce que ladite chambre étanche (2) est un guide d'ondes dont la longueur L est supérieure ou égale à la longueur d'onde guide correspondant à la fréquence de l'onde électromagnétique injectée.
2. Dispositif d'ionisation (100, 100', 200, 200') selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre étanche (2) est un guide d'ondes circulaire dont le diamètre D est supérieure ou égale à 0,59 X, où X représente la longueur d'onde de l'onde électromagnétique injectée.
3. Dispositif d'ionisation (100, 100', 200, 200') selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite onde électromagnétique injectée est une onde haute-fréquence supérieure ou égale à 6GHz.
4. Dispositif d'ionisation (100, 100', 200, 200') selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite onde 30électromagnétique injectée est une onde basse-fréquence inférieure à 6GHz.
5. Dispositif d'ionisation (100, 100') selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection (12) comportent un guide d'ondes agencé pour injecter de façon coaxiale l'onde électromagnétique haute-fréquence dans la chambre étanche (2) selon l'axe longitudinal de ladite chambre étanche (2).
6. Dispositif d'ionisation (200, 200') selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection (16) comportent un guide d'ondes agencé pour injecter l'onde électromagnétique haute-fréquence de façon perpendiculaire à l'axe longitudinal de ladite chambre étanche (2).
7. Dispositif d'ionisation (100, 100', 200, 200') selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte à proximité dudit plasma (15, 15') au moins une électrode (13, 14) polarisée négativement.
8. Source d'ions (300, 400, 600) comportant une chambre étanche sous vide traversée par des ions de haute énergie caractérisée en ce qu'elle comporte : - un dispositif d'ionisation (100, 200) selon l'une des revendications 1 à 7 apte à ioniser des particules neutres (Pn) présentes à l'intérieur de l'enceinte de la source d'ions (300, 400, 600) ; - une électrode (34) polarisée positivement apte à repousser les particules (Pn+) ionisées par le dispositif d'ionisation et apte à être transparent aux ions de haute énergie traversant ladite source d'ions (300, 400, 600).
9. Source d'ions (600) selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle comporte un générateur d'ions (500) produisant des ions de haute _ énergie.
10. Source d'ions (300, 400, 600) selon l'une des revendications 8 à 9 caractérisée en ce que ladite électrode (34) polarisée positivement est à un potentiel électrique choisi de sorte que ledit potentiel électrique ne vienne pas perturber la formation et/ou l'entretien du plasma dudit dispositif d'ionisation (100, 200).
11. Source d'ions (300, 400, 600) selon la revendication 10 caractérisée en ce que ledit potentiel électrique de ladite électrode (34) polarisée positivement est inférieur ou égal à 15 Volts.
12. Source d'ions (300, 400, 600) selon l'une des revendications 8 à 11 caractérisée en ce qu'elle comporte une électrode polarisée négativement (33) apte à accélérer les particules (P"+) ionisées par le dispositif d'ionisation (100, 200).
13. Source d'ions (300) selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisée en ce que ladite source d'ions (300) comporte des moyens de pompage pour extraire les particules neutres (Pn) et les particules (P"+) après neutralisation présentes dans l'enceinte de ladite source d'ions (300).
14. Source d'ions (400) selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisée en ce qu'elle comporte : - une chambre étanche (40) sous vide destinée à contenir au moins un plasma (15, 15'), - un premier et un deuxième dispositif d'ionisation (100', 200'), chacun selon l'une des revendications 1 à 7, aptes à ioniser des particules neutres (Pn) présentes à l'intérieur de la source d'ions (400) ; lesdits dispositifs d'ionisation (100, 100', 200, 200') étant positionnés de part et d'autre de ladite chambre étanche (40)- une fenêtre d'accès (45) dans ladite enceinte (40) positionnée entre les deux dispositifs d'ionisation (100, 100', 200, 200') pour l'introduction de particules (P") aptes à être ionisées par lesdits dispositifs d'ionisation (100, 100', 200, 200') et/ou d'ions (I) aptes à interagir avec les ions de haute énergie traversant ladite source d'ions (400) ; - une deuxième électrode (34') polarisée positivement aptes à repousser les particules (P"+) ionisées par les dispositifs d'ionisation et aptes à être transparent aux ions de haute énergie produits par ledit générateur d'ions (500) ; lesdites électrodes (34, 34') étant positionnées de part et d'autre de ladite chambre (40) de sorte que les particules (P", P"+) et/ou les ions (I) restent confiné(e)s entre lesdites deux électrodes polarisées (34, 34') tant que lesdites particules (P", P"+) et/ou les ions (I) ne sont pas redirigé(e)s vers l'extérieur de ladite source d'ions (400).
15. Source d'ions (600) selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisée en ce qu'elle comporte un séparateur de particules (416) positionné entre le générateur d'ions (500) et le dispositif d'ionisation (100, 200).20