Description de la source SILHI

Connaissant la théorie physique sous-jacente à la production d’un plasma ECR, nous allons maintenant décrire le fonctionnement et la structure technique d’une source d’ions. La première étape consiste à établir les conditions de création d’un plasma ECR dans une chambre cylindrique. La seconde étape consiste à extraire les ions de la chambre plasma par l’intermédiaire d’un champ électrique statique.

3.A.

Création du plasma ECR

La première étape consiste donc à créer un plasma par l’intermédiaire d’une résonance ECR. La Figure II.6 permet de visualiser la création du plasma dans la source SILHI. Une

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 10 100 1000 Se ct ion effic ac e d 'ionis at ion (.1 0 -16 cm 2)

Énergie de l'e- incident (eV) Ionisation de H₂ par e-

onde radiofréquence de 2,45 GHz, d’une puissance comprise entre 300 W et 1200 W est transportée par des guides d’ondes puis est injectée dans une chambre plasma cylindrique en cuivre refroidie de Ø90 mm et de longueur 100 mm. Deux transitions ridgées sont insérées juste avant la chambre plasma afin d’intensifier l’amplitude du champ électrique à l’entrée de celle-ci. Un pompage permettant d’atteindre un vide de l’ordre de 10-4 Pa est réalisé dans toute la source par l’intermédiaire de pompes situées sur la ligne de transport du faisceau. Afin d’obtenir une transition entre les guides d’ondes radiofréquence à la pression atmosphérique et ceux sous vide, une fenêtre de quartz transparente aux micro-ondes est placée entre deux guides. Un coude est positionné entre la fenêtre de quartz et la chambre dans le but de protéger la fenêtre RF des ions créés dans le plasma.

Enfin, on injecte le gaz de dihydrogène dans la chambre plasma. Le débit du gaz est contrôlé à l’aide d’une vanne et varie entre 2 sccm et 3 sccm1

selon les réglages. La pression dans la chambre plasma est alors de l’ordre de quelques Pascal.

Le champ magnétique nécessaire à l’établissement d’une résonance pour une fréquence de 2,45 GHz est :

Équation II.19

: module du champ magnétique : pulsation de l’onde radiofréquence

Les lignes de champ magnétique sont orientées par deux solénoïdes et leur blindage. Le rôle du blindage est double :

- concentrer le champ magnétique vers la chambre plasma.

- réduire considérablement le champ magnétique à l’extérieur, notamment au niveau du tube accélérateur.

- La valeur de 87,5 mT sur l’axe est ajustée pour être proche des ridges afin de profiter d’un maximum de puissance RF. La zone ECR dans toutes les dimensions de l’espace est définie alors comme la surface d’isochamp à 87,5 mT. Une ou plusieurs zones ECR peuvent être ajoutées à l’intérieur de la chambre mais l’expérience a montré qu’une telle configuration déstabilise le plasma et nuit donc à la stabilité du faisceau

[19].

Pour augmenter la densité d’électrons, et donc d’ions, deux plaques de nitrure de bore ont été installées à chaque extrémité de la chambre plasma. Le nitrure de bore possède un taux d’émission secondaire élevé de l’ordre de 1,4 [20]. Ce qui signifie que pour chaque électron percutant une plaque, il sera émis en moyenne 1,4 électrons d’énergie plus faible.

1

Unité standard de débit des gaz (Standard Cubic Centimers per Minutes), soit un centimètre cube par minute dans les conditions de température T = 0°C et une pression de P = 101,325 kPa.

Fonctionnement d’une source ECR

3.B.

Extraction des ions

Les ions positifs créés à l’intérieur de la chambre plasma doivent ensuite être extraits et accélérés de manière à obtenir un faisceau. Pour cela, une série de 5 électrodes permettent de créer une différence de potentiel (et donc un champ électrique) qui va extraire, focaliser et accélérer les ions de la chambre plasma jusqu’à une énergie de 100 keV (cf. Figure II.7). Le potentiel créé par les trois premières électrodes permet d’extraire les ions H+ hors de la chambre plasma et de les accélérer. Ce même potentiel peut aussi attirer les électrons produits en aval lors de l’ionisation du gaz résiduel par le faisceau dans la LBE. On introduit alors deux autres électrodes permettant de repousser ces électrons dans la LBE, et d’obtenir ainsi une meilleure compensation de charge d’espace.

Figure II.7 : Schéma des électrodes d’extraction de SILHI.

1. La première électrode est celle de la chambre plasma portée à un potentiel de 100 keV. Nous l’appellerons électrode Haute Tension (HT). Son rôle est de laisser fuir les ions du plasma par un trou de diamètre Ø9 mm en son centre. Nous considèrerons que la face interne de l’électrode HT constitue la position z = 0 m. Z étant croissant dans la direction de propagation du faisceau (vers la droite sur la Figure II.7).

2. La deuxième électrode, l’électrode intermédiaire (EI) est portée à un potentiel intermédiaire de l’ordre de 65 kV. Son rôle est d’optimiser la focalisation électrostatique du faisceau. Elle est percée d’un trou de diamètre Ø12 mm en son centre.

3. La troisième électrode est placée à la masse. Nous l’appellerons EM1 (Électrode de Masse 1). Elle est percée d’un trou de diamètre Ø12 mm en son centre.

4. La quatrième électrode est portée à un potentiel négatif de l’ordre de -2 kV. Elle est percée d’un trou de diamètre Ø14 mm en son centre. Nous nommerons cette électrode REP (REPousseuse). Cette électrode permet de repousser les électrons créés par ionisation dans la chambre à vide.

5. La cinquième et dernière électrode est placée à la masse. Elle est également percée d’un trou de diamètre Ø14 mm en son centre. Au-delà de cette électrode, le champ électrique est nul et n’influence plus la dynamique des particules. Nous l’appellerons EM2 (Électrode de Masse 2).

Fonctionnement d’une source ECR

Figure II.8 : Potentiel sur l’axe de la source SILHI.

Le support mécanique, maintenant les électrodes entre elle, est appelé « tube accélérateur » (cf. Figure II.9 page suivante). L’intérieur de ce support doit être placé sous vide de manière à profiter d’une tension de claquage supérieure à celle de l’air ambiant. A l’exception des électrodes EM1 et EM2, chacune des électrodes doit évidemment rester électriquement isolée des autres. Dans la source SILHI, les électrodes sont donc maintenues par des supports reliés les uns aux autres grâce à des alumines circulaires. Un joint d’étanchéité est mis entre chaque transition alumine-bride.

Sur la Figure II.9, la partie rouge placée à la haute tension (100 kV) comprend la chambre plasma, les guides d’ondes et le générateur radiofréquence ainsi que les solénoïdes et leurs alimentations. Les parties jaunes sont des alumines permettant de lier mécaniquement deux pièces entre elles tout en gardant une isolation électrique. La partie orange correspond aux éléments de l’EI. La partie verte est mise à un potentiel fixe via un pont diviseur de manière à obtenir une différence de potentiel de 30 kV environ entre chaque alumine. Les parties grises sont mises à la masse. La partie bleue correspond à l’électrode REP qui est fixée sur une masse à l’aide de petites alumines.