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Étude d’une source d’ions multichargés pour un
cyclotron
Robert Basile, Jean-Marie Lagrange
To cite this version:
111 A.
ÉTUDE D’UNE SOURCE D’IONS MULTICHARGÉS POUR UN CYCLOTRON Par ROBERT BASILE et JEAN-MARIE
LAGRANGE,
Laboratoire Joliot-Curie de Physique Nucléaire d’Orsay. Résumé. 2014 Les auteurs,
après avoir décrit l’appareillage d’étude d’une source d’ions lourds multichargés, destinée au cyclotron synchrone à énergie variable en construction à Orsay et après avoir précisé quelques points de leur technique expérimentale, résument les résultats auxquels ils sont arrivés, l’arc ayant fonctionné en continu avec, comme gaz, de l’air ou de l’azote pur.
Après analyse magnétique pour des conditions qu’ils précisent, ils obtiennent le spectre suivant,
en pourcentage du courant d’ions d’azote total : 33 % en N+, 33,5 % en N2+, 30 % en N3+,
3,5 % en N4+ et 0,15 % en N5+.
Abstract. 2014 The authors, having described the
equipment for the study of a heavy multiply
charged ion source intended for the variable energy synchronous cyclotron which is being
cons-tructed at Orsay, having defined several points of their experimental technique, then sum up
the results obtained using a direct current arc discharge with air or pure nitrogen as gas.
After a magnetic analysis, taking into consideration conditions which will further be defined,
they obtain the following spectrum (the percentage being that of the total nitrogen ion current) : 33 % for N+, 33.5 % for N2+, 30 % for N3+, 3.5 % for N4+ and 0.15 % for N5+.
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 23, JUIN 1962, PAGE
Dans le cadre de la construction du
cyclotron
synchrone
àénergie
variable du Laboratoire dePhysique
Nucléaired’Orsay,
nous avonsentrepris
l’étude d’une source d’ions lourdsmultichargés.
Leprésent exposé
est consacré à ladescription
del’appareillage
et destechniques
expérimentales,
il résume les résultats obtenus sur l’azote.I. Généralités :
principe
de la source -Le
type
de sourceadopté
est à électrons oscillants dans unfort
champ
magnétique
(type
Morozovrepris
parPapineau)
[1, 2, 3, 4, 5, 6].
FIG. 1. - La source d’ions et ses alimentations
(vue de
profil).
La
figure
1 donne le schéma deprincipe
de la source. Onpeut
y voir la cathode(K.)
chauffée par bombardementélectroniques
àpartir
d’unfila-ment
(F.),
l’anticathode(A. K.)ou
réflecteurd’élec-trons au même
potentiel
que lacathode,
l’anode oucorps de source, en
graphite
ou en cuivrerefroidi,
maintenue à la masse.Les électrons oscillent entre la cathode et l’anti-cathode. Les ions sont extraits par une fente
laté-rale,
traversentl’extracteur,
sont défléchis par lechamp
magnétique
(H.) homogène régnant
dans toute la chambre à vide. Ils sont focalisés à 1800 etanalysés
à l’aide d’un fil collecteurqui
sedéplace
tout le
long
du dee(fig. 2).
Fic. 2. - Ensemble source-dee-collecteur
et leur alimentation haute tension (vue en plan).
II.
Appareillage
engénéral.
--a)
VIDE. - Legroupe de pompage est constitué de deux pompes
primaires
rotatives de 60m3/h,
et
d’une pompe112 A
secondaire à diffusion d’huile de très fort débit
(théoriquement
10 0001/s
à 10-4 mm deHg
au niveau et en dessous dubame),
son vide limite estde
l’ordre
de 10-5 mm deHg.
b)
CHAMBRE A VIDE. - La chambre est carrée :80 X 80
cm2,
l’entrefer a 20 cm dehauteur ;
unedes faces latérales est réservée au pompage, une
seconde à l’observation
visuelle,
une troisièmeporte
la source, la
quatrième
supporte
par l’intermédiaire d’isolants enquartz,
le dee refroidi par circulationd’huile et le fil collecteur mobile avec son moteur
(fig. 3).
FIG. 3. - Vue d’ensemble
pompe-source-dee
. (vue de dessus).
Les faces
supérieure
et inférieure de la chambreà vide sont en fer Armco et constituent les
pôles
del’aimant.
e)
CHAMPMAGNÉTIQUE.
- Il estproduit
par un aimant Jeumont en C de 15 tonnes, excité par ungroupe de 70 kW
régulé électroniquement
à 10-4près
environ,
cettepartie
ayant
été réalisée au labo-ratoire par le serviceCabrespine (électronique
depuissance).
Lechamp magnétique
est variable defaçon
continuejusqu’à
9 000 gauss.d)
ALIMENTATION DU DEE. - Le dee est alimentépar une haute tension
de
60kV,
190
mA àkéno-trons, montée en
doubleur
et filtrée par un cir-cuitL. C. ( fig.
2).
e)
ALIMENTATION DU FIL COLLECTEUR. - Le filcollecteur est
complètement
isolé dudee,
il estporté
à une tension voisine de celui-ci par unehaute tension
électrostatique
SAMES(C.
751)
de 80 kV et 800pLA, régulée électroniquement.
Le cou-rant estmçsuré
dans le retour de masse par l’inter-médiaire d’unmicroampèremètre
enregistreur
Honeywell (fig.
2).
f)
CHAUFFAGE DE LA CATHODE. - Le filamente3t chauffé en continu par une alimentation de
6 V,
400
A,
à redresseur au silicium, isolée à 5 000 V.Les redresseurs ont été choisis avec des tensions inverses de 250 V à la suite d’accidents
provoqués
par des fronts raides
provenant
declaquages
dans la source au moment del’allumage.
Les électrons sont
accélérés
par une haute tensionde 1 500
V,
2 A àlampes
à vapeur de mercure,isolée à 5 000 V. Cette alimentation est
protégée
par une résistance ballast.g)
ALIMENTATION DE L’ARC. - Lapuissance
injectée
dans la source est fournie par une alimen-tation continue à redressementdodécaphasé
ausélénium de 3 000
V,
40A,
construite par leséta-blissements Rabine. Huit triodes de
puissance
(Th
275A),
montées enparallèles
sontincorporées
comme ballast dans le circuit. Elles sont
suscep-tibles de
supporter
chacune un débit de 5 A. Cesystème
nouspermet
de contrôler lapuissance
fournie à l’arc en
agissant
sur la tensiongrille
des huitlampes
à F aide d’unamplificateur
à courantcontinu terminé par une
lampe
Th 275 A( fig. 4).
FIG. 4. - L’arc et son alimentation.
Ce
montage
réaliséd’après
les travaux dePapineau
et de ses collaborateurs au C. E. A. àSaclay [6, 7],
permet
de fonctionner éventuel-lement enimpulsion
et à très fortepuissance.
Jusqu’à présent
nous n’avons pasexploité
cettepossibilité.
III. Les mesures. - Nous
mesurons de
façon
systématique :
lapuissance
dechauffage
de lacathode ;
la tensiond’arc ;
le courant decathode ;
le courant
d’anticathode ;
lapression
dans lachambre à
vide ;
lechamp magnétique ;
la tensionet le courant sur le dee.
En outre, nous avons
apporté
un soinplus
parti-culier
à deux mesures :LE COURANT D’IONS ANALYSÉS. - Les
ions,
ana-lysés
et focalisés à1800,
sont recueillis sur un fil detungstène
de 1 mm dediamètre,
plongeant
dans ledee sans le
toucher,
etporté
à une haute tension voisine de celle du dee(SAMES).
Dans une pre-mièreétape,
nous avions cruindispensable
d’en-fermer le fil dans unepetite
cage deFaraday
pour assurer une collectioncomplète
descharges
et seprotéger
des électrons secondaires du dee. Nouscompli-cation,
nous rendantcompte
qu’elle
était inutile.En
effet, d’après
les diverses étudesqui
ont été faitesdepuis
Geiger,
il ressort que si onappelle
y,[8, 9],
le coefficient d’émissionsecondaire,
c’est-à-dire le
rapport
du courant d’électrons secondaires au courant d’ionsincidents,
on constate que y estd’autant
plus
faible quel’énergie
des ions incidents estplus faible,
que le métal cible à un Zplus élevé,
que la
température
de la cible estplus
élevée et que la masse A de l’ion incident estplus grande,
lacharge
ne semble pasjouer
de rôleimportant
[10].
Les résultats des mesures faites dans les condi-tions lesplus
voisines desnôtres,
nouspermettent
d’adopter
pour y la valeur 2.D’après
les résultats deOliphant
et Allen[11,12]
larépartition
en fonction del’angle
d’incidence desions est en
1 jcos 0 ;
comme d’autrepart
la surfacedu fil est
cyclindrique,
nous pouvons conserver la valeurprécédente
de y à condition deprendre
lasurface du
demi-cylindre
comme surface émettrice. Lespectre
énergétique
des électrons secondaires serépartit
en deux groupes, l’un a uneénergie
très faible de l’ordre de 4eV,
l’autre a uneénergie
dépendant
de celle desparticules
incidentes mais nedépasse
jamais
50 eV. Le rayon de courbure de telsélectrons dans le
champ
magnétique
que nous utili-sons(7
000Gauss)
est3,4/100
mm. Onpeut
doncadmettre que
pratiquement,
tous les électrons sontrécupérés.
De
plus,
onpeut
vérifier,
que si on maintientpositif
parrapport
au dee lepotentiel
du filcollec-teur les seuls électrons
susceptibles
de se libérersont eux mêmes
piégés
par leur propre dérive dans lechamp
magnétique
sous l’influence duchamp
électrique.
Nous avons fait toutes nos mesures dans ces con-ditions. Les seules
perturbations susceptibles
de seproduire
sont cellesqui proviendraient
de lacap-ture d’électrons émis par le dee. Mais on ne
peut
envisager
un tel processus que dans la mesure ouune
quantité
énorme d’électrons serait émise par celui-ci(émission thermique).
Nous avonseffecti-vement vérifié l’existence de
légères
perturbations
avec des faisceaux suffisamment intenses et
éner-giques
pour amener’ le fond du dee au rouge blanc.Sur le
plan
expérimental,
quand
les conditionssont
normales,
le courantintégré
sur tous lespics
(N, 0, C),
bruit de fonddéduit,
estégal
à environla moitié du courant fourni à l’extracteur.
En
conclusion,
il nous serapossible,
si ce pro-blème devientimportant,
d’effectuer une mEsureprécise
en valeur absolue du courant d’ionsana-lysés
sans êtreobligés
de blinder le fil détecteur.L’erreur qui
entache les résultats dont nous faisonsétat dans ce
travail, provient
essentiellement de l’erreur commise sur la détermination de lalargeur
de la fente d’extraction.
Pour la
collection,
l’intérêt de la contretensionSAMES stabilisée est de
permettre
d’effectuer lesmesures avec un
enregistreur placé
à la masse.celui-ci,
synchronisé
avec ledéplacement
du filcollecteur,
inscrit ainsi directement sur lepapier
laco-urbe de l’intensité recueillie en fonction du rayon
de courbure des ions
étudiés,
c’est-à-dire de laracine carrée de leur
rapport
masse surcharge :
VA /n.
Nous avons pu constater que la linéarité de ce
système
est excellènte.Lorsque
deux ions sontidentifiés avec
certitude,
on en déduit laposition
detous les autres avec une
précision
de 1 mm sur10 cm
(fig. 5).
FIG. 5.
Cette courbe est un
enregistrement
fait avec unplasma
d’air. Lespics
ont unelargeur
à mi-hauteurde l’ordre de 2 mm et on
sépare
très facilement lespics : 0+ 5, C+ 4,
N+ 5..DÉBIT DE GAZ. - Comme
nous le verrons par
las
suite dans lapartie
théorique
de cette étude,
ilest
extrêmement difficile. de définir defaçon
correctece que
pourrait
être làpression
à l’intérieur duplasma.
Par contre,parmi
lesgrandeurs
qui
jouent
un rôle déterminant dans son
fonctionnement,
la consommation de gaz est l’une desplus-
impor-tantes et desplus
facilement accessibles. Dans les conditionsgéométriques
danslesquelles
noustravaillons,
le débit varie entre0,5
et 1. cm3114 A
Il est mesuré par le
déplacement
d’unpiston qui
fait varier le volume de la chambre contenant la réserve de gaz, cette chambre étant maintenue àpression
constante, mesurée à, l’aide d’unmano-mètre à mercure
(fig. 6).
Ap/p = 1/10
au maximum pour un débit pas-sant de 0 à 1cm3/minute
pour unepression
rési-duelle dans la chambre de 1 à 2.10-5 mm de
Hg.
FIG. 6. -
Principe de la mesure du débit de gaz.
IV. Difficultés
expérimentales.
- FOCALISATION.- Du fait de la très haute densité d’ions dans le
plasma,
la densité de courant extrait est elle même trèsélevée ;
elle atteint couramment 300mA/cm2
mesure faite
après analyse
en faisant la somme surtous les
pics,
bruit de fond déduit. Dans cescondi-tions,
nous avonséprouvé
des difficultés pour 1 a focalisation. Nous avonsadopté
la solutionconsis-tant à réduire les dimensions de la fente
d’extrac-tion,
celles que nous utilisons engénéral
ont 8 X0,2
mm. Nous étudierons par la suite l’extrac-tion des très forts courants d’ions en valeur absolue.PROPRETÉ DU CORPS DE SOURCE. - Nous avons
commencé nos
expériences
avec un corps de source engraphite,
aveclequel
nous n’avonsjamais
eu de difficultés.Cependant
dès que lapuissance
injectée
dans la source devient
importante,
legraphite
chauffe etrougit.
Nous avons décidé de leremplacer
par du cuivre refroidi et c’est alors que nous nous sommes trouvés devant de nombreuses,compli-cations. En
effet,
letransport
du métal decathode,
soit sous formemétallique,
soit sous formed’oxyde
ou denitrure,
crée desinhomogénéités
de surface sur l’anode et despoints
mauvais conducteursqui
perturbent
les densités departicules
chargées
dansleur
voisinage.
Enparticulier,
lesinhomogénéités
de surface font varier localement le
coefficient
d’accomodation
[15]
définissant la densité desatomes
et enconséquence
celle desions,
auvoisi-nage de l’anode. Ces
phénomènes
entraînent desgradients
de densité et de tension dans leplasma,
d’où des instabilités et des oscillations[13].
Desnettoyages
systématiques
se sont révélésnéces-saires,
il est même devenuindispensable
de passerpériodiquement
le corps de source à l’acide.V. Résultats
expérimentaux.
- Lesexpériences
résumées ici
comprennent
chacune une dizained’enregistrements
en moyenne,portant
uniquement
sur l’azote ou
l’air,
la source fonctionnant encou-rant continu. Nous ne ferons pas état des
expé-riences réalisées sur
l’argon
et l’hélium.La
figure
7représente
un desenregistrements
obtenus. Nous ne donnerons
qu’un
tableaudes
ré-sultats(tableau 1)
établis sur les mêmes bases queceux
publiés
par les autres auteurs etqui
résume les conditionstypiques
de fonctionnement de lasource.
Il ne nous est pas
possible d’interpréter
les résul-tats sans avoirexposé l’aspect
théorique
du pro-blèmequi
seulpeut
nouspermettre
dedégager
auFIG. 7. -15 mai 1961.
Vext: 15 kV ; Voon 15 kV ; Iext : 6 mA ; gaz : 0,72 cm31
min (T. P. N.) ; IK : 4 A ; IAK : 0,6 A ; Varc : 580 V ;
116 A
milieu des innombrables
paramètres,
ceuxqui
ont véritablement unesignification importante.
Cependant
à la vue du tableauI,
p. 115A,
lesprincipales
remarques à faire sont les suivantes : INFLUENCE DU DÉBIT DU GAZ. -Lacomparaison
entre les
expériences
1 et3,
7 et8,
estparticuliè-rement
caractéristique ;
si le débit esttrop
impor-tant, le rendement en ions
multichargés
baisse. Sion diminue le
débit,
jusqu’à
une certaine limiteau-dessous de
laquelle
l’arc devient instablepuis
s’éteint,
le rendement s’améliore. Cette limite se situe’ aux environs de0,5
cm3/min.
,INFLUENCE DU COURANT D’ARC ET DE LA TENSION AUX BORNES DE L’ARC. - Au fur et à
mesure que l’on monte le courant
d’arc,
le rendement en ionsmultichargés
s’améliore ;
nous n’avonsjamais
pu observer d’ions N+ 5 en dessous de 4ampères
à la cathode. Mais nous devons conserver aux bornes de l’arc une tension suffisante pour que les électronsprimaires
soient assezénergiques
pour ioniser pro-fondément l’azote. Nous avons faitplusieurs
expé-riences au delà de 5
ampères (à 6,
7 et 8ampères),
mais à ce moment la tension aux bornes de l’arc devienttrop
faible(inférieure
à 450volts)
et leren-dement en ions
multichargés
diminue. Enfait,
nosconditions de fonctionnement sont celles du
plasma
froid dans
lequel,
latempérature
électronique
est dequelques
volts au maximum. Onpeut
obtenir des conditionséquivalentes
et mêmes meilleures enaugmentant
le courantd’arc,
à condition defonc-tionner en
plasma
chaud comme l’a fait Morozov(température
électronique
de l’ordre dequelques
20
eV).
Mais dans ce cas, il fautdissiper
unepuis-sance considérable de l’ordre de 20 kW dans le
plasma
pourl’échauffer,
il est alorsindispensable
defonctionner en
impulsions
brèves[14].
INFLUENCE DES GAZ ÉLECTRONÉGATIFS ET DE LA PRESSION RÉSIDUELLE. - Le fonctionnement de la
source ne
dépend
pas de la nature des gaz, sauf sicelui-ci donne des
composés
non conducteurs avecle métal de la cathode
(par exemple :
il ne nous a pas étépossible
de fonctionner avec une anticathode d’aluminium et del’azote).
Par contre lapression
de gaz résiduel et laprésence
de gazélectronégatif
jouent
un rôle déterminant sur la neutralisation de-la
charge
d’espace,
donc sur les conditions defoca-lisation. Les
expériences
2, 4, 6,
donnent des résul-tats inférieurs à ceux desexpériences
1, 3, 5, 7,
8.VI.
Comparaison
avec des résultats obtenus par ailleurs. - Notre étude vient à la suite de cellescommencées par Zucker
[1, 2] reprises
par Morozoven U. R. S. S.
[3, 14],
par Anderson et Ehlers dans le cadre de l’étude de la source HILAC àBerkeley
[4, 5]
et parPapineau
pourl’équipement
ducyclo-tron de 2 mètres du C. E. A. à
Saclay [6, 7].
Le tableau II résume les résultats obtenus par
ces différents auteurs.
Nous pouvons en tirer les conclusions suivantes :
de toutcs ces
expériences
une seule est franchement différente des autres : celle de Morozov(1961) [14]
(la
source n’était d’ailleurs pasprévue
pour fonc-tionner dans uncyclotron).
C’est le seul cas
d’expérience (impulsions
très brèves 20 plus mise en forme par circuit L.C.)
où l’onpuisse
gouverner à la fois la tension et lecou-rant, ce
qui
permet
de choisir ainsi les meilleuresconditions de fonctionnement. De
plus,
à ces hautes intensités de courant, leplasma
commence à deve-nir chaud( Te ~ 20 eV)
et les processus d’ionisation différents. Il semble parailleurs,
que dans un cas aumoins,
Papineau
ait eu des conditions de fonc-tionnementcorrespondant
auplasma
chaud(350 V,
10 A
moyen)
[6].
Si on
excepte
le dernier travailpublié
parPigarov
et Morozov[14],
onpeut
voir que nos ré-sultats(tableau,
1 p. 115A)
sont tout à faitcom-parables
à ceux obtenus par ailleurs(tableau II,
p.115
A)
bien que nos conditions de fonctionnementne nécessitent pour être réalisées
qu’un
appareillage
relativement modeste.VII. Conclusion - Dans
un
prochain
article,
nous étudierons defaçon
plus théorique
les condi-tions de fonctionnement de notreplasma,
nous tâcherons dedégager
lesparamètres
fondamentauxpermettant
d’influencer le fonctionnement duplasma
et ainsi de définir les conditionsoptima
de rendement en ionsmultichargés,
sansaugmenter
defaçon
prohibitive
lapuissance
utilisée.Manuscrit reçu le 13 mars 1962. BIBLIOGRAPHIE
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