RÉALISATION D'UN DUOPLASMATRON A MERCURE A TRÈS HAUTE INTENSITÉ

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Submitted on 1 Jan 1968

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RÉALISATION D’UN DUOPLASMATRON A MERCURE A TRÈS HAUTE INTENSITÉ

C. Lejeune, F. Prangere, A. Septier

To cite this version:

C. Lejeune, F. Prangere, A. Septier. RÉALISATION D’UN DUOPLASMATRON A MERCURE A TRÈS HAUTE INTENSITÉ. Journal de Physique Colloques, 1968, 29 (C3), pp.C3-86-C3-89.

�10.1051/jphyscol:1968321�. �jpa-00213559�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C 3,

au no 4 , Tome 29, avril 1968, page C 3-86

RÉALISATION D'UN DUOPLASMATRON A MERCURE A TRÈS HAUTE INTENSITÉ

par C. LEJEUNE, F. PRANGERE et A. SEPTIER

Institut dYElectronique Fondamentale, Laboratoire Associé a u C. N. R. S.

Faculté des Sciences, Bât. 220, 91-Orsay, France

Résumé.

Une source du type duoplasmatron comportant sept décharges en paralléle et fonctionnant au mercure a été réalisée. Le plasma issu des sept fentes anodiques diffuse dans une cuvette d'expansion cylindrique de 160 mm de diamètre, d'où il est possible d'extraire des faisceaux ioniques d'intensité supérieure

400 mA.

Abstract. -

An ion source of duoplasmatron type, having seven discharges in parallel and working with mercury is described. Plasmas issuing from the seven anode slits diffuse in a large cylindrical expansion cup, 160 mm in diaineter. Mercury ion beams of intcnsity higher than 400 mA can be obtaincd.

1 .

Description de la source. - L'étude d'une source

mercure du type duoplasmatron

symétrie plane munie d'une fente anodique de 20 x 0,4 mm2 avait permis d e montrer qu'il était possible d'obtenir des courants ioniques de 20 mA, c'est-à-dire 10 m A par centimètre d e longueur de la fente [Il. Pour obtenir des courants d e 300 mA, il sufisait donc d'accroître la longueur de fente

300 mm. Au lieu d'utiliser une fente unique, nous avons préféré placer plusieurs fentes en parallèle, réparties régulièrement dans un cercle d e 160 m m de diamètre (Fig. 1)

une fente centrale F d e

-

^1@_mm-

_-

Disposition des fentes anodiques.

105 mm et des fentes latérales B, B i , B2 B; et C l C 2 ayant chacune 35 m m de longueur.

a ) LE

Le duoplasmatron ainsi réalisé comporte donc sept décharges indépen- dantes, mais u n circuit magnétique ilnique. Une coupe schématique est donnée sur la figure 2. Par suite de

/C

FIG. 2. -

Coupe schématique de la source.

F :

four

mercurc

distributeur de vapeur

thermistances

clectrodc intermédiaire

anode

isolant

cuvette d'expansion

cathodes

bobines de champ

sonde.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1968321

RÉALISATION D'UN DUOPLASMATRON A MERCURE C 3

-

l'influence prépondérante de la valeur et de la topo-

graphie de l'induction magnétique sur le fonctionne- ment des décharges, un travail préliminaire sur maquette a permis de déterminer la forme

donner aux entre- fers élémentaires, entre électrode intermédiaire EI et anode A, en vue d'obtenir des champs magnétiques aussi identiques que possible tout au long de chaque fente et dans les différentes fentes. Avec le circuit magnétique représenté sur la figure 2, le but a été atteint, pour des inductions allant jusqu'à 4 000 gauss, comme l'ont montré les mesures effectuées sur la source elle-même.

h)

LES ÉLECTKODI~S. - Anode et électrode intermé- diaire sont réalisées en acier doux d'épaisseur sufisante pour éviter la saturation. Elles sont percées de fentes respectivement de 4 mm et 6 mm de large dans El et dans A. Les fentes de l'anode A sont obturées par des plaques de molybdène elles-mêmes percées de fentes de 0,4 mm de large. Le plasma des décharges issu de ces fentes diffuse dans une large cuvette d'expansion cylindrique de 160 mm de diamètre et 50 mm de hau- teur,

parois métalliques, entourée d'une petite bobine auxiliaire qui peut créer un champ supplémentaire de 200 gauss environ sur l'axe du système.

Les sept cathodes

oxydes, formées de rubans en grille de nickel imprégnés avant formation d'un mélange de carbonates de Ba et de Sr et de poudre de nickel, possèdent des sorties indépendantes. Trois ali- mentations de chauffage différentes permettent d'ali- menter séparément les cathodes de F, l'ensemble des cathodes de B I B i B, Bi reliées en série, et celles de C l C,. Chaque alimentation, constituée par le secondaire d'un transformateur

tension réglable, possède un point milieu relié a une borne commune, elle-même reliée au pôle négatif dc l'alimentation unique d'arc (0-100 volts, 0-150 A). Des résistances variables de faible valeur ont été placées entre les borncs de chaque alimentation et les bornes des cathodes, afin d'équilibrer au mieux l'intensité du courant d'arc qui traverse chaque moitié des cathodes

cettc intensité n'est plus ici négligeable devant celle du courant de chauffage, et il faut éviter de rendre dis- symétrique le chauffage des cathodes si l'on veut obtenir un allumage convenable des arcs sur toute la longueur des chambres

décharge.

Les parois des chambres

décharge, El et A sont portées constamment

une température de l'ordre de 80

100

toiijours supérieure de quelques degrés

celle du four

mercure afin d'éviter les condensations locales, par un système de tubes soudés sur EI et A et parcourus par un courant d'huile régulé en température

C)

L'ALIMENTATION

- Un four unique cylindrique, réalisé en acier inox mince recouvert de cuivre épais (pour éviter les gradients de température sur les parois) est placé dans le canal central de EI

il communique avec les chambres

décharge par un tube de gros diamètre et un répartiteur de vapeur. Il est chauffé par des résistances du type Thermocoax, et sa température définit la valeur de la pression du mercure dans les chambres décharge. Cette température est donnée par un thermomètre

thermistance

une deu- xième thermistance en permet la régulation

+ ^{0,5 OC.}

La température courante de fonctionnement est de l'ordre de 75

correspondant

une pression de 6,25

10-2 torr.

2. Caractéristiques de la source. - a) LA

- Les différentes décharges ont été étudiées séparément, ct possèdent des caractéristiques sembla- bles. Nous donnerons seulement quelques résultats relatifs

la décharge centrale (fente F).

La figure 3 montre quelques caractéristiques VA

f (I,) obtenues

pression et

champ magné- tique constants) pour différentes valeurs de la puissance de chauffage W , appliquée

la cathode. Pour une

I a r c

L

I

O 10 3'0 A

FIG. 3.

-

C 3 - 8 8 C . LEJEUNE, F. PRANGERE ET A. SERIER

valeur donnée de

la tension

décroît lorsque W, augmente, puis reste constante au-delà d'une certaine valeur W , de Wf (350 W pour la fente F).

L'électrode EI, laissée flottante, se fixe au potentiel du plasma cathodique. Ses variations

f

sont données sur la figure 3

pour Wf >,

on a tou- jours VEI =

Pour Wf < W , , et une intensité donnée

ne change pas

les variations de

se retrouvent dans la gaine cathodique.

Lorsque la pression diminue dans la zone cathodique, les caractéristiques se déplacent en bloc vers des valeurs plus fortes de

11 en est de même lorsque B augmente.

La caractéristique

f

qui fixe l'énergie des électrons ionisants, varie également avec la pression et le champ magnétique.

6)

LE

- Les propriétés des jets de plasma issus des fentes et diffusant dans la cuvette ont été étudiées

l'aide de sondes électro- statiques. On a pu ainsi vérifier que les arcs s'allumaient bien et possédaient une densité constante sur toute la longueur des fentes.

Les jets ont une ouverture angulaire suffisante pour se mélanger

15 mm des fentes, et donner un plasma qui emplit entièrement la cuvette d'expansion.

En réglant convenablement les intensités respectives des différentes décharges (en agissant sur W,, puisque

et B sont les mêmes pour toutes les décharges), il est possible d'obtenir une densité ionique constante sur toute la section droite de la cuvette (Fig. 4), ou tout autre profil de densité que l'on désire.

Les énergies longitudinales moyennes des ions varient avec

et B, et peuvent atteindre plusieurs dizaines d'eV.

3. Faisceau ionique extrait. - On sait que le duoplasmatron est, par suite de l'existence des jets dirigés dc plasmas formés d'ions et d'électrons rapides, une source

débit constant lorsqu'on fait varier la tension d'extraction [2] de quelques centaines de volts

quelques dizaines de kV. Ne disposant pas de source de haute tension (30

50 kV) de débit sufi- sant, nous avons extrait les ions du plasma remplissant la cuvette d'expansion sous une tension de quelques kV seulement. Dans ces conditions le coefficient d'émission électronique secondaire produite par le choc des ions Hgi sur le collecteur est inférieur

5 x 10-*

on peut négliger le courant parasite qui en résulte.

Avec la totalité des décharges allumées, on a pu extraire sans difficultés des courants ioniques de plu- sieurs centaines de mA. La figure 5 montre les résultats obtenus pour deux pressions différentes et la figure 6 indique l'influence du champ magnétique de source.

FIG. 4. - Exemple de répartition de densité ionique dans la cuvette.

FIG. 5. - Courant extrait en fonction de I,,, pour deux valeurs de la pression.

RÉALISATION D'UN DUOPLASMATRON A MERCURE c 3 - 8 9

la décharge F allumée seule. On a obtenu un faisceau peu divergent (courant nul sur l'extracteur) d'inten- sité 40 mA (limite de l'alimentation) avec des intensités de décharge de l'ordre de 10 A.

Après une mise au point d'une optique d'extraction convenable, et en utilisant une alimentation HT de débit suffisant, il sera donc possible d'obtenir un fais- ceau d'ions Hgf de 400 mA ayant un diamètre

l'origine d'environ 150 mm. Cette source pourrait servir également

la création d'une colonne de plasma de mercure de grand diamétre, confinée dans un champ magnétique.

Remerciements.

Ce travail a été effectué dans le cadre de recherches effectuées

l'lnstitut d'Electro- nique Fondamentale pour le compte des Services de Physique Appliquée du C. E. N. de Saclay. Les auteurs adressent leurs plus vifs remerciements

MM. S. Win- ter et C. Manus pour leur aide financière, et l'intérêt constant qu'ils ont montré dans le déroulement de ce travail.

Références

Fiü. 6.

-

[ I l SRPI.IEK

PRANGERE

ISMAIL (H.), Proc.

Int.

Conf. on Elect. and Ion Beam Sc.

Technol., Toronto

Une extraction sous haute tension (30 kV) a été réali- SEPT~ER

ls,qA1~

GAUTHE-

sée avec une électrode d'extraction

fente,

partir de