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(1)

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Étude d’une source d’ions multichargés pour un

cyclotron

Robert Basile, Jean-Marie Lagrange

To cite this version:

(2)

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

à

énergie

variable du Laboratoire de

Physique

Nucléaire

d’Orsay,

nous avons

entrepris

l’étude d’une source d’ions lourds

multichargés.

Le

présent exposé

est consacré à la

description

de

l’appareillage

et des

techniques

expérimentales,

il résume les résultats obtenus sur l’azote.

I. Généralités :

principe

de la source -

Le

type

de source

adopté

est à électrons oscillants dans un

fort

champ

magnétique

(type

Morozov

repris

par

Papineau)

[1, 2, 3, 4, 5, 6].

FIG. 1. - La source d’ions et ses alimentations

(vue de

profil).

La

figure

1 donne le schéma de

principe

de la source. On

peut

y voir la cathode

(K.)

chauffée par bombardement

électroniques

à

partir

d’un

fila-ment

(F.),

l’anticathode

(A. K.)ou

réflecteur

d’élec-trons au même

potentiel

que la

cathode,

l’anode ou

corps de source, en

graphite

ou en cuivre

refroidi,

maintenue à la masse.

Les électrons oscillent entre la cathode et l’anti-cathode. Les ions sont extraits par une fente

laté-rale,

traversent

l’extracteur,

sont défléchis par le

champ

magnétique

(H.) homogène régnant

dans toute la chambre à vide. Ils sont focalisés à 1800 et

analysés

à l’aide d’un fil collecteur

qui

se

déplace

tout le

long

du dee

(fig. 2).

Fic. 2. - Ensemble source-dee-collecteur

et leur alimentation haute tension (vue en plan).

II.

Appareillage

en

général.

--

a)

VIDE. - Le

groupe de pompage est constitué de deux pompes

primaires

rotatives de 60

m3/h,

et

d’une pompe

(3)

112 A

secondaire à diffusion d’huile de très fort débit

(théoriquement

10 000

1/s

à 10-4 mm de

Hg

au niveau et en dessous du

bame),

son vide limite est

de

l’ordre

de 10-5 mm de

Hg.

b)

CHAMBRE A VIDE. - La chambre est carrée :

80 X 80

cm2,

l’entrefer a 20 cm de

hauteur ;

une

des faces latérales est réservée au pompage, une

seconde à l’observation

visuelle,

une troisième

porte

la source, la

quatrième

supporte

par l’intermédiaire d’isolants en

quartz,

le dee refroidi par circulation

d’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 chambre

à vide sont en fer Armco et constituent les

pôles

de

l’aimant.

e)

CHAMP

MAGNÉTIQUE.

- Il est

produit

par un aimant Jeumont en C de 15 tonnes, excité par un

groupe de 70 kW

régulé électroniquement

à 10-4

près

environ,

cette

partie

ayant

été réalisée au labo-ratoire par le service

Cabrespine (électronique

de

puissance).

Le

champ magnétique

est variable de

façon

continue

jusqu’à

9 000 gauss.

d)

ALIMENTATION DU DEE. - Le dee est alimenté

par une haute tension

de

60

kV,

190

mA à

kéno-trons, montée en

doubleur

et filtrée par un cir-cuit

L. C. ( fig.

2).

e)

ALIMENTATION DU FIL COLLECTEUR. - Le fil

collecteur est

complètement

isolé du

dee,

il est

porté

à une tension voisine de celui-ci par une

haute tension

électrostatique

SAMES

(C.

751)

de 80 kV et 800

pLA, régulée électroniquement.

Le cou-rant est

mçsuré

dans le retour de masse par l’inter-médiaire d’un

microampèremètre

enregistreur

Honeywell (fig.

2).

f)

CHAUFFAGE DE LA CATHODE. - Le filament

e3t 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

de

claquages

dans la source au moment de

l’allumage.

Les électrons sont

accélérés

par une haute tension

de 1 500

V,

2 A à

lampes

à vapeur de mercure,

isolée à 5 000 V. Cette alimentation est

protégée

par une résistance ballast.

g)

ALIMENTATION DE L’ARC. - La

puissance

injectée

dans la source est fournie par une alimen-tation continue à redressement

dodécaphasé

au

sélénium de 3 000

V,

40

A,

construite par les

éta-blissements Rabine. Huit triodes de

puissance

(Th

275

A),

montées en

parallèles

sont

incorporées

comme ballast dans le circuit. Elles sont

suscep-tibles de

supporter

chacune un débit de 5 A. Ce

système

nous

permet

de contrôler la

puissance

fournie à l’arc en

agissant

sur la tension

grille

des huit

lampes

à F aide d’un

amplificateur

à courant

continu terminé par une

lampe

Th 275 A

( fig. 4).

FIG. 4. - L’arc et son alimentation.

Ce

montage

réalisé

d’après

les travaux de

Papineau

et de ses collaborateurs au C. E. A. à

Saclay [6, 7],

permet

de fonctionner éventuel-lement en

impulsion

et à très forte

puissance.

Jusqu’à présent

nous n’avons pas

exploité

cette

possibilité.

III. Les mesures. - Nous

mesurons de

façon

systématique :

la

puissance

de

chauffage

de la

cathode ;

la tension

d’arc ;

le courant de

cathode ;

le courant

d’anticathode ;

la

pression

dans la

chambre à

vide ;

le

champ magnétique ;

la tension

et le courant sur le dee.

En outre, nous avons

apporté

un soin

plus

parti-culier

à deux mesures :

LE COURANT D’IONS ANALYSÉS. - Les

ions,

ana-lysés

et focalisés à

1800,

sont recueillis sur un fil de

tungstène

de 1 mm de

diamètre,

plongeant

dans le

dee sans le

toucher,

et

porté

à une haute tension voisine de celle du dee

(SAMES).

Dans une pre-mière

étape,

nous avions cru

indispensable

d’en-fermer le fil dans une

petite

cage de

Faraday

pour assurer une collection

complète

des

charges

et se

protéger

des électrons secondaires du dee. Nous

(4)

compli-cation,

nous rendant

compte

qu’elle

était inutile.

En

effet, d’après

les diverses études

qui

ont été faites

depuis

Geiger,

il ressort que si on

appelle

y,

[8, 9],

le coefficient d’émission

secondaire,

c’est-à-dire le

rapport

du courant d’électrons secondaires au courant d’ions

incidents,

on constate que y est

d’autant

plus

faible que

l’énergie

des ions incidents est

plus faible,

que le métal cible à un Z

plus élevé,

que la

température

de la cible est

plus

élevée et que la masse A de l’ion incident est

plus grande,

la

charge

ne semble pas

jouer

de rôle

important

[10].

Les résultats des mesures faites dans les condi-tions les

plus

voisines des

nôtres,

nous

permettent

d’adopter

pour y la valeur 2.

D’après

les résultats de

Oliphant

et Allen

[11,12]

la

répartition

en fonction de

l’angle

d’incidence des

ions est en

1 jcos 0 ;

comme d’autre

part

la surface

du fil est

cyclindrique,

nous pouvons conserver la valeur

précédente

de y à condition de

prendre

la

surface du

demi-cylindre

comme surface émettrice. Le

spectre

énergétique

des électrons secondaires se

répartit

en deux groupes, l’un a une

énergie

très faible de l’ordre de 4

eV,

l’autre a une

énergie

dépendant

de celle des

particules

incidentes mais ne

dépasse

jamais

50 eV. Le rayon de courbure de tels

électrons dans le

champ

magnétique

que nous utili-sons

(7

000

Gauss)

est

3,4/100

mm. On

peut

donc

admettre que

pratiquement,

tous les électrons sont

récupérés.

De

plus,

on

peut

vérifier,

que si on maintient

positif

par

rapport

au dee le

potentiel

du fil

collec-teur les seuls électrons

susceptibles

de se libérer

sont eux mêmes

piégés

par leur propre dérive dans le

champ

magnétique

sous l’influence du

champ

électrique.

Nous avons fait toutes nos mesures dans ces con-ditions. Les seules

perturbations susceptibles

de se

produire

sont celles

qui proviendraient

de la

cap-ture d’électrons émis par le dee. Mais on ne

peut

envisager

un tel processus que dans la mesure ou

une

quantité

énorme d’électrons serait émise par celui-ci

(émission thermique).

Nous avons

effecti-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 conditions

sont

normales,

le courant

intégré

sur tous les

pics

(N, 0, C),

bruit de fond

déduit,

est

égal

à environ

la moitié du courant fourni à l’extracteur.

En

conclusion,

il nous sera

possible,

si ce pro-blème devient

important,

d’effectuer une mEsure

précise

en valeur absolue du courant d’ions

ana-lysés

sans être

obligés

de blinder le fil détecteur.

L’erreur qui

entache les résultats dont nous faisons

état dans ce

travail, provient

essentiellement de l’erreur commise sur la détermination de la

largeur

de la fente d’extraction.

Pour la

collection,

l’intérêt de la contretension

SAMES stabilisée est de

permettre

d’effectuer les

mesures avec un

enregistreur placé

à la masse.

celui-ci,

synchronisé

avec le

déplacement

du fil

collecteur,

inscrit ainsi directement sur le

papier

la

co-urbe de l’intensité recueillie en fonction du rayon

de courbure des ions

étudiés,

c’est-à-dire de la

racine carrée de leur

rapport

masse sur

charge :

VA /n.

Nous avons pu constater que la linéarité de ce

système

est excellènte.

Lorsque

deux ions sont

identifiés avec

certitude,

on en déduit la

position

de

tous les autres avec une

précision

de 1 mm sur

10 cm

(fig. 5).

FIG. 5.

Cette courbe est un

enregistrement

fait avec un

plasma

d’air. Les

pics

ont une

largeur

à mi-hauteur

de l’ordre de 2 mm et on

sépare

très facilement les

pics : 0+ 5, C+ 4,

N+ 5..

DÉBIT DE GAZ. - Comme

nous le verrons par

las

suite dans la

partie

théorique

de cette étude,

il

est

extrêmement difficile. de définir de

façon

correcte

ce que

pourrait

être là

pression

à l’intérieur du

plasma.

Par contre,

parmi

les

grandeurs

qui

jouent

un rôle déterminant dans son

fonctionnement,

la consommation de gaz est l’une des

plus-

impor-tantes et des

plus

facilement accessibles. Dans les conditions

géométriques

dans

lesquelles

nous

travaillons,

le débit varie entre

0,5

et 1. cm3

(5)

114 A

Il est mesuré par le

déplacement

d’un

piston qui

fait varier le volume de la chambre contenant la réserve de gaz, cette chambre étant maintenue à

pression

constante, mesurée à, l’aide d’un

mano-mètre à mercure

(fig. 6).

Ap/p = 1/10

au maximum pour un débit pas-sant de 0 à 1

cm3/minute

pour une

pression

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 très

élevée ;

elle atteint couramment 300

mA/cm2

mesure faite

après analyse

en faisant la somme sur

tous les

pics,

bruit de fond déduit. Dans ces

condi-tions,

nous avons

éprouvé

des difficultés pour 1 a focalisation. Nous avons

adopté

la solution

consis-tant à réduire les dimensions de la fente

d’extrac-tion,

celles que nous utilisons en

général

ont 8 X

0,2

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 en

graphite,

avec

lequel

nous n’avons

jamais

eu de difficultés.

Cependant

dès que la

puissance

injectée

dans la source devient

importante,

le

graphite

chauffe et

rougit.

Nous avons décidé de le

remplacer

par du cuivre refroidi et c’est alors que nous nous sommes trouvés devant de nombreuses,

compli-cations. En

effet,

le

transport

du métal de

cathode,

soit sous forme

métallique,

soit sous forme

d’oxyde

ou de

nitrure,

crée des

inhomogénéités

de surface sur l’anode et des

points

mauvais conducteurs

qui

perturbent

les densités de

particules

chargées

dans

leur

voisinage.

En

particulier,

les

inhomogénéités

de surface font varier localement le

coefficient

d’accomodation

[15]

définissant la densité des

atomes

et en

conséquence

celle des

ions,

au

voisi-nage de l’anode. Ces

phénomènes

entraînent des

gradients

de densité et de tension dans le

plasma,

d’où des instabilités et des oscillations

[13].

Des

nettoyages

systématiques

se sont révélés

néces-saires,

il est même devenu

indispensable

de passer

périodiquement

le corps de source à l’acide.

V. Résultats

expérimentaux.

- Les

expériences

résumées ici

comprennent

chacune une dizaine

d’enregistrements

en moyenne,

portant

uniquement

sur l’azote ou

l’air,

la source fonctionnant en

cou-rant continu. Nous ne ferons pas état des

expé-riences réalisées sur

l’argon

et l’hélium.

La

figure

7

représente

un des

enregistrements

obtenus. Nous ne donnerons

qu’un

tableau

des

ré-sultats

(tableau 1)

établis sur les mêmes bases que

ceux

publiés

par les autres auteurs et

qui

résume les conditions

typiques

de fonctionnement de la

source.

Il ne nous est pas

possible d’interpréter

les résul-tats sans avoir

exposé l’aspect

théorique

du pro-blème

qui

seul

peut

nous

permettre

de

dégager

au

FIG. 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 ;

(6)
(7)

116 A

milieu des innombrables

paramètres,

ceux

qui

ont véritablement une

signification importante.

Cependant

à la vue du tableau

I,

p. 115

A,

les

principales

remarques à faire sont les suivantes : INFLUENCE DU DÉBIT DU GAZ. -La

comparaison

entre les

expériences

1 et

3,

7 et

8,

est

particuliè-rement

caractéristique ;

si le débit est

trop

impor-tant, le rendement en ions

multichargés

baisse. Si

on diminue le

débit,

jusqu’à

une certaine limite

au-dessous de

laquelle

l’arc devient instable

puis

s’éteint,

le rendement s’améliore. Cette limite se situe’ aux environs de

0,5

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 ions

multichargés

s’améliore ;

nous n’avons

jamais

pu observer d’ions N+ 5 en dessous de 4

ampères

à la cathode. Mais nous devons conserver aux bornes de l’arc une tension suffisante pour que les électrons

primaires

soient assez

énergiques

pour ioniser pro-fondément l’azote. Nous avons fait

plusieurs

expé-riences au delà de 5

ampères (à 6,

7 et 8

ampères),

mais à ce moment la tension aux bornes de l’arc devient

trop

faible

(inférieure

à 450

volts)

et le

ren-dement en ions

multichargés

diminue. En

fait,

nos

conditions de fonctionnement sont celles du

plasma

froid dans

lequel,

la

température

électronique

est de

quelques

volts au maximum. On

peut

obtenir des conditions

équivalentes

et mêmes meilleures en

augmentant

le courant

d’arc,

à condition de

fonc-tionner en

plasma

chaud comme l’a fait Morozov

(température

électronique

de l’ordre de

quelques

20

eV).

Mais dans ce cas, il faut

dissiper

une

puis-sance considérable de l’ordre de 20 kW dans le

plasma

pour

l’échauffer,

il est alors

indispensable

de

fonctionner 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 si

celui-ci donne des

composés

non conducteurs avec

le métal de la cathode

(par exemple :

il ne nous a pas été

possible

de fonctionner avec une anticathode d’aluminium et de

l’azote).

Par contre la

pression

de gaz résiduel et la

présence

de gaz

électronégatif

jouent

un rôle déterminant sur la neutralisation de

-la

charge

d’espace,

donc sur les conditions de

foca-lisation. Les

expériences

2, 4, 6,

donnent des résul-tats inférieurs à ceux des

expériences

1, 3, 5, 7,

8.

VI.

Comparaison

avec des résultats obtenus par ailleurs. - Notre étude vient à la suite de celles

commencées par Zucker

[1, 2] reprises

par Morozov

en U. R. S. S.

[3, 14],

par Anderson et Ehlers dans le cadre de l’étude de la source HILAC à

Berkeley

[4, 5]

et par

Papineau

pour

l’équipement

du

cyclo-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 pas

prévue

pour fonc-tionner dans un

cyclotron).

C’est le seul cas

d’expérience (impulsions

très brèves 20 plus mise en forme par circuit L.

C.)

où l’on

puisse

gouverner à la fois la tension et le

cou-rant, ce

qui

permet

de choisir ainsi les meilleures

conditions de fonctionnement. De

plus,

à ces hautes intensités de courant, le

plasma

commence à deve-nir chaud

( Te ~ 20 eV)

et les processus d’ionisation différents. Il semble par

ailleurs,

que dans un cas au

moins,

Papineau

ait eu des conditions de fonc-tionnement

correspondant

au

plasma

chaud

(350 V,

10 A

moyen)

[6].

Si on

excepte

le dernier travail

publié

par

Pigarov

et Morozov

[14],

on

peut

voir que nos ré-sultats

(tableau,

1 p. 115

A)

sont tout à fait

com-parables

à ceux obtenus par ailleurs

(tableau II,

p.

115

A)

bien que nos conditions de fonctionnement

ne nécessitent pour être réalisées

qu’un

appareillage

relativement modeste.

VII. Conclusion - Dans

un

prochain

article,

nous étudierons de

façon

plus théorique

les condi-tions de fonctionnement de notre

plasma,

nous tâcherons de

dégager

les

paramètres

fondamentaux

permettant

d’influencer le fonctionnement du

plasma

et ainsi de définir les conditions

optima

de rendement en ions

multichargés,

sans

augmenter

de

façon

prohibitive

la

puissance

utilisée.

Manuscrit reçu le 13 mars 1962. BIBLIOGRAPHIE

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