Étude de la contamination ionique dans les séparateurs électro-magnétiques d'isotopes. Application à la production d'isotopes de haute pureté

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Étude de la contamination ionique dans les séparateurs

électro-magnétiques d’isotopes. Application à la

production d’isotopes de haute pureté

J. Camplan, M. van Ments, R. Bernas

To cite this version:

91

ÉTUDE

DE LA CONTAMINATION

_IONIQUE

DANS LES

SÉPARATEURS

_{ÉLECTRO-MAGNÉTIQUES}

D’ISOTOPES APPLICATION A LA PRODUCTION D’ISOTOPES DE HAUTE PURETÉ

Par J.

_CAMPLAN,

M. VAN MENTS et R.

_BERNAS,

Laboratoire de _{Physique Nucléaire,} Faculté des Sciences de Paris, Orsay (Seine-et-Oise). Résumé. 2014

L’analyse de la _{composante ionique} de la contamination, dans un _séparateur électro-magnétique d’isotopes, est effectuée à l’aide du deuxième étage d’un _séparateur à double déviation magnétique. L’étude fait

_apparaitre,

outre les ions diffusés, une contribution qui peut être impor-tante due à des ions _ayant un défaut d’énergie. On _{explique ainsi,} pour une _{grande part,}

l’asy-métrie de la contamination généralement constatée et l’on _{indique quelques procédés} permet-tant d’améliorer les performances des _appareils existants.

Abstract. 2014 The

magnetic analysis of the ionic _component of contamination in an electro-magnetic isotope separator, is made through the use of the second _stage of a double magnetic deflection isotope separator. The _study shows _that, besides gas scattering, a non _{negligible part}

of contamination is due to _low-energy ions. These _phenomena account for a _{large part} of the asymmetry of contamination which is very

generally

observed in isotope separators. Some methods for _improving the _performance of _existing machines are _suggested.

PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME _22, JUIN _1961, PAGE 91 A.

Introduction. -

L’analyse isotopique

des

_dépôts

obtenus au collecteur d’un

_séparateur

d’isotopes,

lorsque

celui-ci est

_réglé

_pour

recevoir

un

isotope

donné,

met

_{généralement}

en évidence la

_présence

d’un ou de

_plusieurs

_isotopes

de masses voisines.

Une étude des

_origines

de cette contamination

iso-topique

est

_{indispensable}

_pour établir des

_projets

de

dispositifs susceptibles

de très hautes

_performances

et _pour améliorer le fonctionnement des

_appareils

existants. -

On sait _que les causes

principales

de la

contas

nation

_sont,

outre les défauts de

_{l’optique ionique}

que l’on doit

corriger,

les effets de la

charge

d’es-pace ainsi que les interactions entre les ions

rapides

et le gaz

résiduel,

entraînant des modifioations de

trajectoire

et de

_charge

des ions.

Dans une

publication déjà

ancienne et

trop

_peu

connue, relative aux

_séparateurs

à très haute

inten-situé,

Parkins

_[1].

avait

_signalé

la

_présence

d’ions ralentis sans toutefois en

étudier

l’origine,

mais les

études récentes sur la contamination

[2],

[3]

ne

retenaient pas ce

phénomène

et s’attachaient

essen-tiellement aux deux dernières causes mentionnées

plus

haut. Au cours de la mise au

point

du

sépa-rateur à double déviation

_magnétique

[4]

puis

lors d’une étude

_[5]

concernant

_{l’importance}

de

l’échange

de

_charge

dans la

_{contamination,}

nous avons été conduits à tenir

_compte

de la

présence

d’ions

_ayant

un défaut

d’énergie.

L’étude

_qui

fait

_l’objet

de la

présente

publi-cation,

a été

entreprise

afin de

préciser

l’impor-tance et

_l’origine

de ces ions. Les résultats

auxquels

elle aboutit montrent

_qu’en

ne tenant _pas

compte

de ces

_ions,

le rôle des

_particules

neutres dans la

contamination a

jusqu’ici

été

_largement

sures-timé

_{[5], [2].}

Une mise en

_garde

nous

_parait

toutefois

indis-pensable :

les conditions de fonctionnement des

séparateurs

d’isotopes

pouvant

varier dans un

très ,

grand

domaine

_(suivant

le

_type

_{d’appareil,}

le

_type

de source,

etc...)

il ne

_peut

être

question

de

géné-raliser sans

_précautions

à d’autres

_appareils,

les

résultats d’une étude effectuée sur l’un d’eux.

Aussi,

afin de faciliter

_{l’extrapolation}

des _{résultats que}

nous

_publions,

nous nous sommes efforcés de bien

préciser

les conditions dans

_lesquels

ils ont été

obtenus.

Nous aborderons successivement les

_points

sui-vants :

I.

_Origines

de la contamination

_{ionique ;}

II. Va-riation et

_importance

de la contamination

_{ionique ;}

III. Améliorations des

_performances

des

_appareils

existants.

1. ORIGINES ,

DE LA CONTAMINATION

IONIQUE.

1.

_{Dispositif expérimental.}

- Il est

représenté

schématiquement

sur la

figure

_{1 ;}

une

_description

détaillée en a été

_publiée

_par ailleurs

_[4].

Le

_{premier étage}

du

_séparateur,

constitué par la

source

_S,

et l’électroaimant

_I,

fournit un faisceau

d’ions focalisés sur le collecteur

_Cl.

Une fente

F1

permet

de sélectionner lue faisceau

_isotopique

que l’on désire étudier et

_{qui pénètre}

alors dans

l’élec-troaimant il. On obtient ainsi sur le collecteur

C2

le

_spectre

de

_quantité

de mouvement des ions

_ayant

franchi

_Fl.

92 A

pic, 1. - Schéma du

dispositif

expérimental.

On a

repré-senté le _{réglage correspondant} à l’étude de la compc-sante _chargée du faisceau d’uranium 235.

Les

_paramètres

du

_premier

_étage

étant

main-tenus

constants,

le

_balayage

du

_champ

_H2

_permet

d’enregistrer

le courant reçu sur le collecteur

_C2

placé

derrière une fente fine

_{(0,5 mm)}

et les

_spectres

ainsi obtenus

peuvent

être

_{planimétrés.}

Un

_spectre

typique

obtenu dans ces

conditions,

_lorsque

le

FIG. 2. -

a) En" trait

_{plein :}

_spectre au deuxième _étage

obtenu dans les conditions de la figure 1.

Nous montrerons _plus loin

_qu’il

existe des ions 238U+ ayant un défaut

_d’énergie

et _{que leur} répartition peut

être _{représentée} par une

_ligne

telle _que celle en _{pointillé ;}

la

partie

hachurée

correspond

aux ions 238U+ admis par

la fente F1 ern même temps que les ions 236U+. Une partie des ions 238U+ _qui contaminent au _{premier étage,} est

donc masqué par le pic dû à 235U+ .

b) Spectre obtenu dans les mêmes conditions _lorsque

le bismuth

_remplace

l’uranium.

faisceau focalisé sur

_F1

était 235U+ est

_représenté

sur la

_figure

2a.

Après

avoir effectué

_quelques

études sur des

faisceaux d’uranium il est _apparu

_{indispensable}

de

pouvoir

examiner

_{plus soigneusement}

les

compo-santes

_chargées

situées au

_voisinage

du faisceau

principal

et pour ce

faire,

de choisir un élément

mono-isotopique ;

les études suivantes ont donc été effectuées sur 2o9Bi.

Bien

_entendu,

le _{fait que} le bismuth n’ait

_qu’un

seul

_isotope,

ne

_permet

_{pas de}

_parler

de

contami-nation

_isotopique

au sens _{propre du} terme. Mais la

généralisation

des résultats obtenus nous

per-mettra de

_comprendre

en

_{partie l’origine}

des

phé-nomènes de contamination dans le cas des _corps

ayant

plusieurs isotopes.

Dans ce

_qui

_suit,

nous dénoterons _{par Lu} 1 la

disposition

dans

_laquelle

la contamination est

apportée

à un

_{isotope léger}

_par un

_isotope

de

masse

_supérieure,

et _{par 1} ->

L,

la

disposition

inverse.

Remarquons

enfin

_qu’il

est

_{toujours possible}

d’assimiler un

_spectre

de

_quantité

de mouvement à

un

_spectre

_{d’énergie.}

Dans le cas d’un élément

mono-isotopique,

on

_peut

de même faire

l’assimi-lation à un

_spectre

de masse. Les ions du faisceau

ayant

une masse

M,

une

_énergie

.E et une vitesse _v,

les ions

_parasites

situés sur

_Cl

à une certaine

dis-.

tance de

_l’impact

du faisceau sont caractérisés par les

_{grandeurs M,}

.E _-E- BE et v

₊

Av. On

_peut

imaginer qu’au

même endroit se trouvent des ions

caractérisés par M

+

Am,

E et v’.

_Puisque

les

ions

_parasites

réels et

_imaginaires

se trouvent au

même

_endroit,

on a :

d’autre

_part,

Il en résulte

Les

_spectres

relevés au deuxième

_{étage pourront}

donc être

_gradués

en

_AE,

Au ou Am.

2.

_Expérience

fondamentale. - Dans les

expé-riences

_qui

_suivent,

le faisceau de bismuth est foca-lisé au

_premier

_étage

au

voisinage

et de

_part

ou

d’autre de la fente

_F1.

Les

_figures

3 et 4

repré-FiG. 3. -

sentent ces deux

positions qui correspondent

res-pectivement

aux

dispositions

L -)-1 et 1 --> L. Les

spectres

obtenus au deuxième

_étage

en maintenant

fixe le

_{point d’impact}

N du faisceau de bismuth et

en faisânt varier

_H2

sont

_{représentés}

sur les

figures

3a et 4a.

FIG. 3a. -

Spectre de _quantité de mouvement de

lacom-posante

ionique

dans la _disposition L -> 1. L"abscisse est

graduée en

_{masse-équivalent.}

Les surfaces des _pics D et C sont mesurées _séparément en

_prolongeant

le

_pic

D sous

le _pic C.

On notera immédiatement une différence

fonda-mentale entre ces deux

_spectres,

celui

(fige 3a)

cor-respondant

à L --> 1

_comporte

deux

_pics

alors

_qu’il

n’en

_apparaît

_qu’un

seul dans le cas 1 --> L

(fig. 4a) (*).

D’autre

_part,

le

_point

n

qui

_marque

l’extrémité de

_chaque

_spectre

_correspond

à _la

quan-tité de mouvement des ions du

_pic

nominal

_(**)

et,

par

conséquent,

les ions formant les

spectres

repré-sentés sur ces

_figures

ont tous des

_quantités

de mouvement inférieures à celles des ions du

_pic

no-minal. Les

_quantités

_{AE, Av}

et Am sont donc

négatives.

Ceci a été vérifié de la

façon

suivante : on

_règle

le

_premier

et le deuxième

_champ

_magnétique

de telle sorte _{que le}

faisceau

de bismuth soit focalisé

sur

F1

au

_premier

_étage

et sur

_F2

au deuxième

étage.

Sans modifier la tension d’extraction des ions

_(donc

leur

_quantité

de

_mouvement)

ni les

posi-tions

de

_{F1 et F2,}

on diminue le

champ H1;

on se

trouve donc dans la

_disposition

de la

_figure

3, et l’on retrouve le

_spectre

de la

_figure

3a en

dimi-nuant le

_champ

_H2.

Les ions formant ce

_spectre

(*) Nous réfuterons _plus loin trois interprétations

pos-sibles de ces formes : _présence de plomb dans le bismuth,

aberrations du premier ou du deuxième déflecteur et _pic

de

hask 161.

z

(**) Nous _{désignerons ainsi,} au _premier ou au deuxième

étage le faisceau de bismuth. Sa forme relevée dans les conditions habituelles au _deuxième étage est _{représentée} sur la figure 2 b.

ont donc des

_quantités

de mouvements inférieures

à celles des ions du faisceau nominal.

1/expérience

et les constatations sont

_analogues

si l’on

_augmente

_Hl,

c’est-à-dire dans le cas de la

FIG. 4a. -

Spectre en masse

équivalent

de la contamination 1 - L.

figure

4. Ici encore, il faut diminuer le

champ H2

pour retrouver le

spectre

de la

figure

4a.

Notons que le défaut de

quantité

de mouvement des ions formant les

_spectres

des

_figures

3a et 4a exclue

l’attribution de

ces

_spectres

à des

aberra-tions du

_premier

déflecteur. De même doit-on

reje-ter l’attribution de ces

_spectres

à des aberrations du

deuxième déflecteur car les

_phénomènes

sont les

mêmes si l’on

_diaphragme

les faisceaux issus de la

fente

_F1.

3.

_Origine

des

_pics

observés. - Les faits

que

nous _exposerons ci-dessous

_permettent

d’attribuer : :

A)

les

_pics

D des

_figures

3a et 4a aux ions Bi+

diffusés ; B)

le

_pic

C de la

_figure

3a à des ions

,

d’énergie

inférieure à celle des ions du faisceau

nominal,

le défaut

_d’énergie

se

produisant

dans la

région

de la _{source ;} nous donnerons à ces

_ions,

la

dénomination d’ions

_{chromatiques.}

Va.

IONS DIFFUSÉS. -

L’étendue en

_énergie

des

pics

D

_(fig.

3a et

_4a)

et leur

_répartition

quasi-symé-trique

par

rapport

au nominal sont

caractéristiques

d’un

_phénomène

de diffusion sans

_perte

de

charge

entre les ions du faisceau et les molécules du gaz résiduel.

_{Expérimentalement,}

nous avons très bien

vérifié la

_{proportionnalité}

entre la

_pression

dans le

trat-94 A

nage en

_énergie

des

_pics

de diffusion

_peut

s’expli-quer

par les

faits suivants :

1)

la

_perte

_d’énergie

croît avec

_l’angle

de

diffu-sion et la diffusion à

_petit

_angle

est la

_plus

_probable;

2)

la fente

_{Fi diaphragme}

d’autant

_plus

les ions diffusés _que

_l’angle

de diffusion est

_{plus grand.}

Le

_phénomène

de diffusion a lieu dans toute l’enceinte du

_premier

_étage.

La

_trajectoire

des ions diffusés avant

_{l’analyseur}

1 est deux fois altérée : par

l’angle

de diffusion d’une

part

et par l’action de cet

_analyseur

sur des ions

_d’énergie

moindre d’autre

_part.

_Malgré

la

_{complexité qui}

en

_résulte,

nous avons _pu

discerner,

dans les

pics

de

diffusion,

les contributions

_respectives

des ions diffusés avant

et

_après

_{l’analyseur.}

En

_particulier,

la

_présence

d’ions diffusés avant

_{l’analyseur}

_explique

que le

pic

de diffusion soit

_{plus important}

dans la

dispo-sition L - 1 que dans la

disposition

1 -> L

_(à

dis-tance

_NF,

_égale).

Les ions diffusés sous des

angles

relativement

_grands

avant

_{l’analyseur}

étant en

grande partie

éliminés par l’absence de focalisation

suivant z

_(sens

des

_lignes

de force de

_{l’analyseur),}

nous n’insisterons pas sur ce

phénomène.

Il faut toutefois

_signaler

une anomalie concernant

la forme des

_pics

de diffusion : sur la

figure

5 où

FIG. 5. - Diffusion et chromatisme à

haute et basse

pres-sion. Dans ce dernier cas, on a

représenté

en trait-mixte l’homologue du pic de diffusion haute

_pression.

La partie

hachurée

ne semble donc due ni à la _diffusion, ni au

chromatisme.

sont

_{représentés,}

_{pour deux}

_pressions

_{différentes,}

les

_pics

de diffusion et de

_chromatisme,

on note _que la traînée du

_premier

_pic

est relativement

_beaucoup

plus importante

à basse

_qu’à

haute

_{pression ;}

il semble donc

_qu’on

ne

_puisse

_pas attribuer à la

seule diffusion la contamination dans cette

_région.

B. IONS _{CHROMATIQUES.} - Le

pic C (fig.

3a)

n’apparaît

que dans la

disposition

L - 1 et a une

forme

_analogue

à celle du

_pic

nominal. Il est donc

naturel de l’attribuer à des ions

_ayant

une

énergie

inférieure à

_l’énergie

nominale et

_provenant

d’une

région

située avant le

_{premier analyseur.}

La

fente

_{Fi laisse}

_passer les ions

_chromatiques

dont la

perte

d’énergie

est

_équivalente

à la distance

_NF1

et dont l’étendue

_{en’énergie}

est

_équivalente

à la lar-geur de la fente

(1

mm).

Ceci

_explique

la

ressem-blance

_qu’il

_y a entre les

_spectres

en trait

plein

des

figures

2a et 3a.

Nous attribuons

_l’origine

de ces ions à un pro-cessus

d’échange

de

charge,

dans la

région

inter-électrode

_{(fige 6),}

entre les ions Bi+ et _{la vapeur de}

FIG. 6. -

Le processus d’échange de _charge au _voisinage

de la fente d’extraction entraîne la formation d’ions ayant un défaut _{d’énergie.}

bismuth issue de la source, le nouvel ion formé n’étant _{accéléré que par} une fraction de la tension

accélératrice. Cette

_hypothèse

est

_justifiée

_par les

faits

_{expérimentaux}

suivants :

1)¡Le

chromatisme

_{(c’est-à-dire}

le

_rapport

des

surfaces du

_pic

C et du

_{pic nominal)}

ne varie _pas

2)

L’importance

du chromatisme croit avec la

pression

de bismuth dans la source

_{(fig. 8).}

3)

Le chromatisme décroît

_lorsque

l’on

_augmente

le

_{champ magnétique}

de

_{source.(fig. 9).}

Nous

attri-buons cet effet à une

_plus

faible concavité du

_mé-nisque

liée à un accroissement de la densité

_ionique

du

_plasma.

Celui-ci se

_rapprochant

de la fente

d’extraction,

il en résulte une réduction de la

pro-babilité

_d’échange

de

_charge.

Toutefois,

dans notre

_appareil,

la mauvaise

qua-lité des

_images

obtenues sur

_Cl

avec un

_{important ,}

champ

magnétique

de _source, limite la

_portée

de cette _remarque.

4)

Le processus

d’échange

de

_charge

pouvant-avoir lieu à des distances variables de la _source, on

explique

ainsi que l’intensité et la

_position

du

pic

C varient de

_façon

continue avec la dis-tance

_NF1.

Ceci

_justifie

la

_façon

dont sont

plani-métrés les

_spectres.

Remarquons

aussi _que la

_présence

de masses

inférieures à la masse 209 dans le bismuth

_(du

plomb

_{par exemple)}

se traduirait _par des maxima pour le

pic

C en fonction de la distance

_NF

1-5)

La

_probabilité

_d’échange

de

_charge

entre ions et atomes de bismuth est maximum _{pour de} faibles valeurs de

_l’énergie

des ions et décroît lentement

avec cette

_énergie.

D’autre

_part,

la densité des

atomes de bismuth est maximum au

_voisinage

immédiat du

_ménisque.

On

_explique

ainsi la

varia-Fie. 10. - Variations du chromatisme et

de la diffusion (la pression étant très _basse) en fonction de la dis-tance NF1 ( fig. 3) comptée en écarts relatifs de masse.

A _grande distance, le chromatisme est _{prépondérant.}

FIG. 11. -

Spectre obtenu dans les mêmes conditions que

ceux des figures 3a et 4a _lorsque la fente _F1 est _placée

entre les masses 86 et 87 du strontium. Outre les trois pics de diffusion des masses 86, 87 et _88, il apparaît un

96 A

tion tout d’abord

_rapide,

_puis

lente du chroma-tisme

_{( fcg. 10).}

Bien _que moins

_prdbables,

d’autres _{processus de}

formation d’ions

_chromatiques

_peuvent

être

envi-sagés ;

par

exemple

l’ionisation d’un atome de bismuth par un ion Bi+.

La

_présence

d’ions

_chromatiques

n’a pas été

observée seulement dans le cas du bismuth : la

figure

11 fait

_apparaître

un

_important

pic

de

chro-matisme pour le strontium. Dans le cas de

l’ura-nium,

ce

_phénomène

doit aussi exister : sous le

_pic

dû à

_235U,

doit se trouver un

pic

de chromatisme

dû à 238U

_{(fig. 2a) ;}

de

_fait,

les collections d’ura-nium 235 faites au deuxième

_étage,

donnent un

pro-duit moins _{pur que} ne le laisse

prévoir

une

décom-position

élémentaire du

_spectre

relevé dans les condition de la

_figure

1

_{(fig. 2a).}

En

_négligeant

le

_gradient

de

_pression

de bismuth

au

_voisinage

immédiat de la fente d’extraction et

en faisant une estimation raisonnable de la

varia-tion de

_potentiel

dans cette

_région,

on trouve _pour la section efficace

_d’échange

de

_charge,

une valeur

de l’ordre de 10-14 cm2

_qui

est en accord avec les

valeurs habituellement admises

_[7].

II. VARIATION ET IMPORTANCE DE LA CONTAMINATION

IONIQUE.

On

_peut

étudier les variations de la

contami-nation

_ionique

en fonction de la distance

NF1

et

des divers

_paramètres

du

_séparateur.

Le deuxième

étage

magnétique

permet

dans tous les cas de

dis-cerner

_{l’importance}

relative du chrcmatisme et de la diffusion.

D’une

manière

_générale,

nous avons constaté _que

le

_rapport

entre la diffusion et le chromatisme dé-croît

_rapidement

avec la distance

_{NF1 (fig. 3).}

Au

delà d’un écart de masse de l’ordre de 4

_%,

le chromatisme est

_{toujours prépondérant.}

A courte

distance ce

_{rapport peut}

_prendre

des valeurs

com-prises

dans un

_{large domaine,}

suivant les

conditions

de fonctionnement de la source et la

pression

dans

l’apparEil.

A titre

_d’exemple,

la

_figure

10

repré-sente les

_variations,

en fonction de

_NF1,

de la

dif-fusion et du chromatisme dans le cas de la courbe 2

FIG. 12. - Profil du faisceau d’ions relevés

au collecteur

du _{premier étage.} Courbe 1. -- La

pression est _{élevée ;} la diffusion est

prédominante. La contamination est _{presque symétrique.}

Courbe 2. - La

pression du gaz résiduel est _{basse ; la}

pression de bismuth est élevée dans la source ; le chroma-tisme est _important. La contamination est _{asymétrique.}

Courbe 3. - Diffusion et chromatisme sont réduits. Cette courbe _correspond aux meilleurs conditions actuel-lement réalisables.

Le tableau 1 _indique les valeurs des _paramètres

corres-pondants à ces trois courbes.

Signalons que la courbe 3 est _identique, du côté L -+ 1

à celle publiée, pour 85Kr, par Alvager et Uhler _[19]. Du côté 1 2013> L, la courbe 3 _correspond à une

contami-nation nettement _plus faible ; ceci _peut être dû, ainsi que le suggèrent ces auteurs, à un défaut de

_l’optique

ionique de leur _appareil.

de la

_figure

12. Dans notre

_appareil,

le

_rapport

diffusion/chromatisme

peut

varier entre

_0,3

et

_3,

suivant les valeurs des différents

_paramètres.

La mesure du courant derrière la fente

_F1,

lorsque

l’on

_balaye

le

_premier

_champ

_magnétique,

donne la contamination

_ionique

totale.

La

_comparaison

des résultats obtenus au

_premier

et au deuxième

_étage

dans la

_disposition

L - 1 montre que la somme du chromatisme et de la

diffusion est

_égale

à la contamination

_ionique

totale. Il en est de même dans la

_disposition

1 - L pour

la seule diffusion.

Le

_phénomène

de

_hash,

observé

indiscutable-ment dans le cas du cadmium

_[6],

ne se manifeste

donc pas

ici,

à moins

_qu’il

ne soit à

l’origine

de

l’anomalie

_{signalée plus}

haut

_{(cf. fig.}

_5).

Les courbes

_{1, 2,}

3 de la

_figure

12

_{correspondent}

à

diverses conditions de fonctionnement - _ces

condi-tions sont

_précisées

dans le tableau 1 ci-avant. Sur la

_{figure 12,}

nous _comparons les coefficients

d’enrichissement obtenus dans les collections de

divers

_isotopes

au

premier

_étage

avec le

_profil

relevé pour le faisceau de

bismuth,

en ne tenant

compte

que des ions. Plusieurs

paramètres

inter-venant dans la contamination au cours de ces

collections

_n’ayant

_{pas été}

_notés,

nous nous bornons

à comparer les résultats de ces collections avec la zone

_comprise

entre les courbes

_1,

2 et

_{3 ;}

les

limites de cette zone

_{correspondent}

aux valeurs

extrêmes mais

_acceptables

des divers

_paramètres.

On

notera _{que les}

_points

_figuratifs

des collections

se trouvent tous dans ou au-dessus de cette zone.

Les

_points

situés au-dessus

_peuvent

être attribués à _{la contamination par les} neutres

_(voire

même à des contaminations

_{accidentelles).}

III.

AMÉLIORATION

DES PERFORMANCES DES APPAREILS EXISTANTS.

1.

_Principes

de l’amélioration des

_{performances.}

- D’une manière

_générale,

le coefficient de

conta-mination défini par

Cassignol

[2] peut-être

consi-déré comme étant la somme de

_plusieurs

termes :

Le terme

CE

_{représente la}

part

de la contami-nation due aux ions

parasites

_{reçus par} le collec-teur et

_n’ayant

_pas la même

_énergie

_{que les ions du}

faisceau collecté. Ce terme

_comprend

la

_part

due

aux ions

_chromatiques

et aux

_claquages.

Le terme

Cp,

relatif à la

_quantité

de

_mouvement,

représente

les

aberrations,

le

_hash,

la

_majeure

partie

de la diffusion et les défauts de

neutrali-sation de

_charge

_d’espace.

Le terme

_Ce,

relatif à l’état de

_{charge représente}

les

_particules

neutres et les ions

_{multi-chargés.}

Enfin,

le terme Ca tient

_compte

des contami-nations

accidentelles

[2], [3]

(condensation

de

ya-peurs,

rebondissement, etc,..).

Afin d’améliorer la

_pureté

des

_produits

obtenus

dans une

séparation,

on cherchera à éliminer les

termes

_{prépondérants.}

L’examen des conditions

dans

_lesquelles

ont été effectuées de nombreuses

séparations

à

_Orsay

_{permet (en supposant}

Ca =

0)

de donner un ordre de

grandeur

approximatif

_pour

les trois autres termes :

Précisons que ces valeurs sont

_susceptibles

de

varier

_beaucoup

d’un

_séparateur

à un autre et même d’une collection à une autre.

2.

_Séparateurs

à un

_étage.

- Dans le cas

_général

des

_séparateurs

à un

_étage,

l’atténuation des

com-posantes

de

_Cp

dues au hash et à la diffusion

_peut

s’effectuer _par des

_procédés

_déjà

décrits

_{[6], [2].}

La

_composante

de

_CE

due au chromatisme pourra

être réduite _{par l’une des méthodes suivantes :}

a)

RÉDUCTION DE LA PRESSION DE L’ÉLÉMENT DANS LA SOURCE : en utilisant un

_composé

de

pré-férence à l’élément

_{lui-même ;}

en maintenant la

température

du four à la valeur minimum compa-tible avec un fonctionnement stable de la

_source.

Par

_contre,

le chromatisme

_ayant

son

_origine

très

_près

de la fente

_{d’extraction,}

il y a _{peu à}

attendre d’un

_pompage

_énergique

dans la

_région

interélectrode.

b)

UTILISATION D’UNE SOURCE A HAUT RENDE-MENT :

_{duoplasmatron}

_{[8], [9], [10] ;}

_source

thermo-ionique

dans le cas des métaux à haute efficacité

d’ionisation

_(alcalins,

_etc...).

Il est

_possible

égale-ment

_qu’une

source du

_type

à

_{pulvérisation}

_[11]

ne

donne lieu

_qu’à

un faible chromatisme.

c)

UTILISATION DE BARRIÈRES DE POTENTIEL en vue d’éliminer les ions

_ayant

un défaut

d’énergie.

d)

POST-ACCÉLÉRATION des ions

_après

la fente de

sélection du

_premier

_étage,

comme cela a été

réa-lisée pour un

_{spectromètre}

analytique

_par

Inghram

et Hess

_[12].

_{Nous pensons toutefois que,} dans le

cas de notre

_appareil,

des solutions

_plus

_simples

-telles _{que celles}

_proposées

en _a, b et c -

pourront

être

_adoptées.

-

.

3.

_Séparateurs

à deux

étages.

-

L’intérêt d’un

séparateur

à deux

_étages

réside dans

_{l’élimination,}

au deuxième ordre

_près,

de

_plusieurs

termes de la

contamination. Ainsi une cascade mixte

(deuxième

étage

électrostatique)

élimine

les

termes

CE

et

Ce.

Par

_contre,

un

_appareil

à deux

_étages

magné-tiques

élimine les termes

Cp

et Ce. Il faut

donc,

dans ce

_type

_{d’appareil,}

chercher à atténuer le

terme

CE.

On

_pourrait

pour cela

envisager

l’adjonc-tion d’un troisième

_étage

_{électrostatique,}

comme

98 A

dans le deuxième

_étage,

d’un

_champ

_magnétique

et d’un

_{champ électrique}

croisés

_{[14], [15].}

A ces

solu-tions,

nous

préférons

celles

indiquées plus

haut et

plus.

particulièrement

l’utilisation d’une source à haut. rendement

_[10]

_qui

_présente

de nombreux

autres

_avantages

L’une des

_{conséquences}

de la

_présente

étude est que, dans un

_séparateur

à deux

_étages

magné-tiques,

et en

_présence

d’ions

_{chromatiques,}

le

pre-mier

_analyseur

doit être le

_plus

_dispersif.

D’une

manière

_générale,

on ne devra

_envisager

de

dispo-sitifs _{constitués par deux}

_{analyseurs magnétiques}

très

_dispersifs

_qu’après

élimination du

chroma-tisme.

4.

_Asymétrie

de la contamination. - Nous avons

déjà

signalé

[4],

[13],

dans les

_séparateurs

à un et deux

_étages,

une

asymétrie

de la

contamination,

l’isotope

voisin lourd contaminant

préférentiel-lement. Trois

_phénomènes

_peuvent

en être

respon-sables : le hash

_[6],

la diffusion et le chromatisme. Le rôle du hash sera

particulièrement

important

dans les

_appareils

à fort débit

_(calutrons).

La

_perte

_d’énergie

liée à la diffusion entraînera

une

_asymétrie

sensible surtout dans les

appareils

à 180°.

_{L’asymétrie}

de la diffusion est sans doute

responsable

de

_{l’asymétrie}

de la contamination

rési-duelle d’une cascade mixte.

Enfin le chromatisme contribuera

_toujours

à

l’asymétrie

dans les

_appareils

à un seul

_étage

et il

est clair _{que c’est lui}

_qui

sera en

majeure partie

responsable

de

_{l’asymétrie}

de la contamination résiduelle dans les

_séparateurs

à deux

_étages

magné-tiques.

Le tableau II en donne un

exemple

très net

TABLEAU II

CONCLUSION

Le travail

_{qui précède}

nous a

_permis

de mettre en évidence deux

_types

d’ions

qui

contribuent à la

contamination ;

des ions diffusés et des ions

chro-matiques,

chaque

type

d’ions

_pouvant

_représenter

entre

_1/10

000

_et,

dans les cas les

_plus

défavorables,

1/100

de l’intensité du faisceau

_qui

leur a donné

naissance.

Ce travail confirme et

_précise

les observations effectuées par Parkins

[1]

sur la

_présence

d’ions

ralentis dans les faisceaux des

_séparateurs

d’iso-topes

à très haute intensité. Il rend

_compte,

au

moins en

_partie,

du fait

_{généralement}

_constaté,

_que les

_isotopes

collectés dans les

_appareils

à un et deux

étages

sont contaminés

_{préférentiellement}

_{par leurs}

vo-isins

_plus

lourds

_{[4], [13].}

La contribution des

_particules

neutres et

_l’origine

de l’anomalie

_signalée

dans le

_paragraphe

relatif

aux ions diffusés feront

_objet

d’une

_prochaine

étude

_[16].

Appendice

Il est

_possible

de calculer la forme des

_pics

de

diffusion

_{(fig. 3a)}

observés à une certaine distance

X =

NF1

de

l’impact

du faisceau. Pour

simplifier,

nous

_prendrons

_{pour le calcul de} l’interaction le

modèle des

_sphères

_rigides,

nous ne considérerons

que les ions diffusés

après l’analyseur

et nous

admettrons _{que : l’ouverture du} faisceau et les

angles

de diffusion sont

_{petits ;}

l’intensité du

fais-ceau d’ions reste constante sur tout _{le parcours ;} la fente

_FI

est très mince et infinie en direction z

(direction

des

_lignes

de force des

_champs

magné-tiques) ;

la chambre à vide de

_{l’analyseur}

_n’apporte

aucun effet de

diaphragme.

On aboutit à la relation : .

dans

_{laquelle : di/dAm représente}

l’intensité due

aux ions diffusés tombant dans la fente

_FI

de

largeur

AX et

_ayant

subi une

_perte

de masse appa-rente Om définie _{par la relation}

₍₁₎

Nr

étant le nombre _{d’atomes du gaz} résiduel _par

cm3 ; ao le

rayon de l’orbite de Bohr dans l’atome

d’hydrogène ; io

l’intensité

du faisceau

_{d’ions ;}

M la masse

_atomique

des ions du faisceau

_{nominal ;}

lVll

la masse

_atomique

_{du gaz}

_{résiduel ;}

D la dis-tance entre la face de sortie de

_{l’analyseur}

et le collecteur

_Cl.

La courbe

_{représentant}

la variation de

_diJdAm

en fonction de Am

_présente

_{peu de} différence avec

les

_pics

de diffusion des

_figures

3a et 4a. Nous

avons _{pu vérifier}

_{rigoureusement}

_{que les} écarts

étaient dus aux deux dernières

_{approximations}

énumérées ci-dessus.

Le calcul fait

_apparaître

en outre, une relation

entre les distances nd

_{(fig. 3a)}

et

_{X ;}

nous avons

Le calcul

_précédent

_permet

enfin d’évaluer la

quantité

totale d’ions

_{diffusés ;}

le résultat est en

bon accord avec

_{l’expérience.}

_Toutèfois,

le modèle

que nous avons choisi _pour

_représenter

les collisions

donne,

pour la diffusion en fonction de

_X,

une

variation

_plus

lente

_qu’elle

ne l’est en réalité.

Cet

écart entre le calcul et

_{l’expérience disparaît}

si l’on

reprend

les calculs avec les modèles

_proposés

_par

Everhart et al.

_[17]

ou _{par Firsov}

_[18].

Manuscrit reçu le 24 mars 1961.

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