Conditions de fonctionnement d'une source d'ions haute fréquence

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Conditions de fonctionnement d’une source d’ions haute

fréquence

Marc de Lacoste Lareymonde, Jean Salmon, Joseph Wajsbrum

To cite this version:

mais dont le

_prolongement

à x = o _passe

_toujours

par le même

point.

Dans le cas d’une substance émettant

_plusieurs

groupes de

particules

oc

l’approximation

_précédente

n’est

_plus

aussi bonne.

_Cependant

la

_{figure 7}

_montre,

dans le cas de

_l’uranium,

le résultat du calcul des déformations de la courbe en x _pour diverses formes

supposées

d’une relation incorrecte

_amplitude

de

l’impulsion-énergie

de la

_particule

dans la

_chambre,

l’étalonnage

étant effectué à

_partir

du

_pic

des oc de 234U et

_{l’expérimentateur}

_admettant,

à

tort,

qu’il

y a

_{proportionnalité}

entre

_amplitude

et

_énergie.

On voit que, dans des limites très

_larges

de mauvais

fonctionnement,

une

_région

linéaire subsiste et la valeur

_extrapolée

ne diffère _{pas de la} valeur vraie, en valeur

relative,

de

plus

_{de 2. 10-3,}

en bon accord avec nos

_{résultats expérimentaux,}

ce

_qui

_justifie,

a

_posferiort,

les

_{approximations}

faites

_plus

haut

et ce

_qui

étend le domaine

_{d’application}

de la méthode de numération.

Manuscrit reçu le 5 septembre 1953.

BIBLIOGRAPHIE.

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N. N. E. S., V, 3, 8.

CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT D’UNE SOURCE D’IONS HAUTE

FRÉQUENCE

Par MARC DE LACOSTE LAREYMONDIE, JEAN SALMON et JOSEPH

WAJSBRUM,

Laboratoire de _{Physique atomique} et moléculaire du _Collège de France.

Sommaire. 2014 Les auteurs montrent tout d’abord comment ils ont

procédé à la mesure des

prin-cipales

grandeurs

qui conditionnent le fonctionnement d’une source débitant I mA d’ions _hydrogène. Ils donnent ensuite des réseaux de courbes montrant la variation du débit ionique en fonction de ces

grandeurs. Ils _{terminent par des indications} sur la focalisation du faisceau et la _proportion d’ions

atomiques qu’il contient.

LE _JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. TOME

_15,

FÉVRIER

_1954,

,

1. La réalisation au laboratoire d’un

_microscope

protonique

et d’un

_générateur

de neutrons a conduit

M.

_Magnan,

Sous-Directeur du

laboratoire,

a nous

demander de

_préciser

les conditions de fonction-nement des sources d’ions haute

_fréquence

utilisées

dans ces

_appareils.

Nous nous sommes donnés

pour tâche de’

dégager

l’importance

relative des différentes

_grandeurs

_{qui commandent}

le débit de la source et de tracer des réseaux de courbes donnant la variation de ce débit en fonction des

principaux paramètres

en

_jeu.

La source étudiée

(fig. 1)

est une source du

_type

Moak, Reese,

Good

_(1).

On en trouvera une

_description

détaillée dans

(1) Les dimensions du canal d’extraction de la source

l’article de ces auteurs

_(voir

_{bibliographie).}

Nous

avons

_quelque

_peu

_simplifié

le

_montage

en

suppri-mant à la fois la bobine

_magnétique

et le

_disque

métallique.

Par contre un

_jet

d’air

_comprimé

souf-flant d’une

_part

autour de la base et d’autre

_part

le

_long

de la source assure un refroidissement

conve-nable et

_permet

l’utilisation d’une

_puissance

haute

fréquence

notable. Celle-ci est fournie _par un auto-oscillateur

_équipé

de deux tubes TB

_2,5/300

montés

en

_symétrique

et fonctionnant sur

₉₆

_{Mc/s (voir}

schéma,

fig.

1).

Les résonnateurs d’anode et. de cathode sont

étudiée sont les suivantes ;

longueur,

I2,5 mm;

dia-mètre, I,6 mm.

constitués _{par des}

_lignes

distantes de 5 cm et de

longueurs

respectives

35 et Io cm. La

_puissance

appliquée

aux

_plaques

atteint

des valeurs de l’ordre de ₇₀₀ W _{tandis que les dérives de}

_fréquence

restent

Fig. I. - schéma d’alimentation du canon à ions.

inférieures à

o,5

Mc/s malgré

les variations de

_charge

très

_importantes

_que

doivent

_supporter

les

_lampes.

La

_puissance

haute

_fréquence

est

_injectée

entre deux anneaux de

laiton de 2,5

cm de

_largeur

entou-rant la source. La

_position

et

l’écartement

_optimum

varient avec les conditions de

fonctionnement.

Les meilleurs résultats ont été obtenus avec un

écartement intérieur des anneaux voisin de

₄

cm,

le

_premier

de ceux-ci étant

_placé

à environ

_3,5

cm

de la base. Sa

_position

s’est révélée extrêmement

critique

du

_point

de vue du débit

_ionique

et

doit

être

_ajustée

avec soin. Enfin le

_couplage

avec

l’émetteur est réalisé au _{moyen d’une}

boucle

dont l’orientation _par

_rapport

aux

_lignes

d’anode est

réglable.

,

Le

débit _{de gaz doit}

_pouvoir

être

_réglé

-de manière

Fig. 2. - Fuite à

l’hydrogène

et son alimentation, _électrique.

sensible et doit rester

_{stable. L’osmorégulateur}

au

palladium

généralément

employé

se

_comporte

de

façon

peu satisfaisante non seulement à cause de sa

fragilité

mais surtout à cause des instabilités

d’écou-lement dont les

répercussions

sur le courant

_ionique

sont très

_gênantes.

Nous utilisons maintenant

_{(fig. 2)}

le nickel sous forme de trois tubes de 2 mm de dia-mètre de

o, I5

mm

_{d’épaisseur}

et de 12 cm de

_longueur

fermés à une

_extrémité,

soudés à

l’autre

à un

tube

de pyrex et

placés

dans un

tube,de

_quartz

due 10 mm

de diamètre. Une résistance chauffante est enroulée autour du

_quartz

et

enrobée

dans une

_pâte

réfrac-taire à base

d’amiante fibreuse

et de kaolin destinée à assurer un

bon

isolement

_thermique.

Le

_réglage

est

lent mais

sensible

_tandis

que la

stabilité

est

bonne.

Ce

_système

absorbe une soixantaine de watts

lors-qu’il

maintient la

_pression

dans la source à sa valeur

optimum (2)..

On

_peut

évidemment

_repérer

celle-ci à l’aide de ia

tension aux bornes de la résistance chauffante mais il convient de

_pouvoir

la mesurer en vue d’une étude

systématique

des conditions de fonctionnement., Dans ce but nous

plaçons

une

_jauge

de Pirani à l’extrémité d’un tube de verre

_{de 7}

cm de

_longueur

et 1 cm de diamètre raccordé à la source derrière

la

_capsule.

Afin d’éviter _{le passage} de la

_décharge

entre l’électrode d’extraction et le filament de la

jauge

nous l’avons

convenablement

isolée. Nous avons cherché

_quelles

relations existaient entre la

pression

p dans la source en

l’absence

de la

_décharge

haute fréquence

et la tension de

_chauffage

aux bornes de la résistance Vn et nous avons constaté _{que p} était

une

fonction

_{exponentielle}

de

Vin.

Nous avons

_également

cherché à connaître la

puissance

haute

_{fréquence injectée}

dans la source.

La mesure s’est révélée fort délicate. Comme on

ignore,

en cours de

fonctionnement,

la valeur de

l’impédance

aux bornes des anneaux, il convien-drait

_{d’appliquer}

la formule

_classique

U et I

_désignant

les

_amplitudes

de la tension et du

courant

_{et p}

le

_déphasage.

Nous avons

_essayé

de (2) Note de MM. Jean-Claude DUMAS et Carlos GONZALES

au _sujet du _palladium. - Le

système H-Pd est très complexe.

On en résumera ainsi les principales caractéristiquès : Absorption (endothermique). -

L’isobare montre que l’on a d’abord formation d’un _{composé chimique} H2 Pd

(phase a), puis lorsque a atteint une certaine concentration,

dissolution de H2 dans ce _{composé (phase}

_03B2).

On a, alors

coexistence des deux phases après quoi parachèvement de a. Diffusion (exothermique). - Le

phénomène est _inversé, mais la courbe est hystérésique. Seul l’Hg en _disselution

dans 03B2 est utilisé. Or la _pente

410

presque verticale (D, débit

du _gaz en centimètres _{cubes par seconde ; t, température).}

rend très difficile _{l’utilisation ,de} cette _portion de courbe.

Si l’on considère que

les

dihations successives produisent un, déplacement du

_cycle’

hystérésique et _que de _{plus le} Pd est

particulièrement sensible à certains

poisons

tels que souffre et _{phosphore, etc.,} on _{voit que} son utilisation pour un débit constant d’hydrogène est peu satisfaisante. Le nickel tout

en ayant une pçrméabiljté inférieure ne _{présente pas} ces

inconvénients et

surtout _possède un

AD

beaucoup plus

_petit.

mesurer U à l’aide d’un voltmètre à

_lampes.

_Malgré

la faible

_capacité

d’entrée C annoncée par le cons-trueteur N

_2pF,

_{l’introduction}

du voltmètre fait baisser le débit de la source _{d’environ 50 pour} 100;

la lecture

_perd

donc toute

_{signification.}

Nous

pou-vons _par contre nous _appuyer sur _{le fait que le}

rendement .n d’un auto-oscillateur classe C est

constant à 10 _pour 100

_{près d’après}

les données du

constructeur des

_lampes.

On déduira la

_puissance

injectée

Pi de la

_puissance

_appliquée

_Pa

au _moyen

de la formule

Vp désignant

la tension continue

_appliquée

aux

plaques

et

_h,

la

_composante

continue du courant

anodique.

D’autre

_part

_lorsque

la source est en

fonctionnement au

_sommet

d’un

_appareil

du

_type

accélérateur ce sont les

_grandeurs

_Vp

et

_Ip

_qui

sont

Fig. 3. - Schéma de

principe.

Mesure du débit _ionique.

les

_plus

commodement accessibles à

l’expérimen-tateur.

P our effectuer la mesure du débit

_ionique

de

_façon

correcte, il faut éliminer les effets des électrons secondaires. Dans ce but nous recueillons les ions dans un

_cylindre

de

_Faraday

_{( fig, 3)}

isolé de la base de la source _par un manchon de verre

_porteur

d’une

grille polarisée.

L’électrode d’extraction est à un

potentiel

qui

peut

aller

_jusqu’à

_{10 kV,}

le

_cylindre

est relié à la masse d’une

_part

et à la base de la source

d’autre

_part

à travers le

_{microampèremètre}

de

mesure. Il suffit de

_porter

la

_grille

à un

_potentiel

négatif

d’une

_cinquantaine

_{de volts par}

_rapport

à la masse _{pour éliminer les électrons secondaires}

qui

prennent

naissance tant dans le

_cylindre

_que dans le canal d’extraction. Le courant total

_capté

par la

grille

ne

_dépasse

_{pas 10 pour I00 du débit}

ionique.

2. Avant de

_présenter

les

diff érents

réseaux de

courbes

tracés il convient de faire une

_description

qualitative

des

_phénomènes

observés. Il va

_de

soi

qu’il

faut veiller avant toute

_opération

à ce _que le vide dans la source soit excellent. Sous

l’effet

de la

haute

_fréquence,

les traces du _gaz

résiduel

se

niani-festent _par une lueur bleue.

_Lorsque

le vide est tout

à fait

satisfaisant

la lueur devient

_opalescente

et

l’enveloppe

de pyrex luminescente. L’introduction de .

_{l’hydrogène}

amorce la

_décharge,

une lumière

rouge est _{émise par le}

_plasma,

dont l’intensité devient

_plus

vive à mesure _{que la}

_puissance

haute

fréquence

croît.

_{L’application}

de la tension d’extrac-tion

_permet

d’obtenir un débit d’ions

_qui

croît

jusqu’à

une

_certaine

valeur de celle-ci

_puis

redescend

quelque

peu

jusqu’au

moment où des étincelles

’

apparaissent

de manière intermittente au

_voisinage

des électrodes. Le débit est alors instable et la souree

risque

de devenir inutilisable.

Nous avons noté

_qu’il

faut

_soigner

tout

particuliè-rement la soudure verre-métal de l’électrode d’ex-traction sans

_quoi

certains endroits du tube

capil-laire se noircissent sous l’effet d’une

_oxydation

locale

et la source est

_rapidement

hors

d’usage.

La

_pression

indiquée

par la

jauge

de Pirani baisse notablement

au moment de

_{l’amorçage}

de la

décharge

alors _que l’élévation de

_température

_{qui l’accompagne}

ferait

prévoir

un accroissement. Il semble que d’une

part

la

_{décomposition}

d’une

_partie

des _{molécules du gaz} modifie le coefficient

_{d’étalonnage}

de la

_jauge

et _que

d’autre

_part

des courants haute

_fréquence

induits dans le filament de celle-ci

_provoquent

une variation

de .la résistance de ce dernier. Enfin le débit d’ions

lorsque

celui-ci est

_important

a

_également

une

influence sur la

_pression.

Aussi avons-nous

_pris

dans

les mesures

comme

valeur

de p celle que

l’on

obtient

avant

_{l’amorçage}

de la

_décharge.

Nous avons tracé un ensemble de réseaux montranL

comment le débit

_ionique

I, est lié à la

_pression

p, à la tension d’extraction

Ve

et à la

_puissance

appli-Fig. 5.

Fig.- 6.

quée

aux

_plaques

de l’émetteur

_1?,,,

ces trois gran-deurs étant celles

_qui

avec la

_{fréquence jouent}

un

rôle

important

dans le fonctionnement de la source.

L’erreur sur la lecture de Ve ne

dépasse

_pas 5o

_V,

Fig. 7.

Fig. 8.

la

_{puissance appliquée}

est donnée à 15 W

_près

et

le débit à 5

_{MA près. Quant}

à la

_pression

_p il est

difficile d’éviter tout

_glissement

de _{sorte que dans}

quelques

cas l’erreur a _pu atteindre

0,2 . 10-3 mm Hg.

Lorsque

les mesures sont assez

longues

la

pression

risque

de se modifier

_{légèrement.}

éteindre la source et _{attendre que}

_{l’équilibre}

initial soit rétabli. On voit

_qu’il

_{n’est pas} facile de

_garantir

une

grande

précision

dans la mesure.

Nous donnons tout d’abord le réseau 1(.

_{= f (Ve.)}

(fig.

4) à

Pa maximum

_{(660 W)}

_{pour les six valeurs} suivantes de la

_{pression :}

4,5; 5,4;

6;

6,6;

7,4

et

8,5. 10-3

mm

_Hg.

Les courbes

_partent

de

_l’origine

avec une très faible

_pente

et s’incurvent

_jusqu’à

1,4 kV

puis

présentent

une

_{partie quasi rectiligne}

le

long

de

_laquelle

elles restent bien

_groupées

cepen-pant

que le débit croît

rapidement.

Elles se

_séparent

ensuite,

passent

par un maximum assez

_plat

et

retombent

_{régulièrement.}

Le tracé en

est

limité à

une valeur de 6 kV pour

Vie

puisque

au

_delà,

des

décharges

parasites

s’amorcent au

_voisinage

des électrodes. Le débit maximum d’ions

_{d’hydrogène,}

soit i

mA,

est obtenu _pour une tension de

_{4, 5}

kV et

une

_pression

de

6 . r o-3 mm Hg.

Au-dessus et

au-dessous de cette valeur le maximum

_apparaît

_pour des valeurs

_plus

faibles de Ve. Avec le deutérium

nous avons obtenu un débit maximum de _0,7 mA. Nous noterons enfin _{que les courbes}

_{correspondant}

aux

_pressions

_{4, 5}

et

8,5

mm

_{Hg présentent}

_par

rapport

aux autres un

_{léger décalage}

le

_long

de la

zone linéaire.

_Or,

dans ces deux cas il n’avait pas

été

_possible

d’obtenir

un

accord satisfaisant du circuit

_anodique

de

l’oscillateur,

l’impédance

ayant

trop

varié pour que

l’adaptation

correcte de la

charge puisse

être réalisée. Il en résultait sans nul doute une baisse de rendement donc de

_puissance

injectée

qui

causait cet affaiblissement. Pour les

_quatre

valeurs de la

_pression

_{5,4; 6; 6,6}

et

_{7,4. jo-3 mm Hg}

nous avons tracé d’autres réseaux de courbes

_(fig.

5,

6, 7

et

_8).

Chacun d’eux

_représente

les foncez tions

_{Ic= f(Pa)}

relatives aux

_{sept valeurs}

suivantes de la tension

d’extraction :.r;

2; 3;

3,5;

4; 4,5,

et 5 kV. Les courbes ne

_peuvent

partir

de

_l’origine

puisque

une

_puissance

Pa minimum de 25oW est nécessaire à

_{l’amorçage}

de la

_décharge.

Elles sont

d’autre

_part

limitées à la

_puissance

maximum

appli-quée

aux

_lampes

soit environ 660 W. Pour les faibles valeurs de la tension d’extraction

V«

on obtient des

_segments

de droite horizontaux mais

_déjà

pour 3 kV on voit s’amorcer une montée

_rectiligne

suivie d’une saturation. Au-dessus de 3 kV la zone

linéaire

s’étend en _{moyenne de} 280 à 50o W. Au delà les courbes s’incurvent à nouveau et le courant

ionique

devient stationnaire. La saturation

_peut

s’expliquer

de la manière suivante. Avec

l’appli-cation de

Ve,

l’extrémité de la

cathode,

le manchon isolant de silice et le

_plasma

environnant forment

en

quelque

sorte une lentille focalisant les ions vers

le canal d’extraction.

Le

mécanisme de cette focalisation

est

assez mal

connu mais il est _{certain que pour} une valeur donnée

de

V, le

débit

_ionique

est _{limité par} les

_propriétés

optiques

inhérentes à la lentille ainsi formée. 3. Dans toutes ces

_expériences

nous nous

préocu-pions

seulement de

_capter

le faisceau dans le

_cylindre

de

_Faraday

sans

_{prendre garde}

à sa

_divergence.

En

fait il convient de le focaliser si l’on vise une

utilisa-tion

_quelconque.

Aussi nous avons construit un canon

à

_{protons comprenant}

deux

_cylindres

de 5 cm de

’diamètre,

de

_{longueurs respectives}

5,8

et 12,2 cm et d’écartement 5 mm. En

_portant

le

_premier

de ceux-ci et la base de la source à une tension

d’accé-lération Va de 13 kV et le second à la masse on

obtient sur un écran fluorescent et _pour une tension d’extraction de 3 kV une

_image

fine de i mm de diamètre située à

₄₈

cm du canal d’extraction et

à

_23,4

cm du

_plan

médian de la lentille. Nous avons

noté que la

position

de cette

_image

et _par

_conséquent

sa dimension ne

_dépendent

_{que du}

_rapport

Ve

V,,

-4-Nous avons déduit des

_{propriétés optiques}

relatives à ce _genre de lentilles _que

_l’énergie

de sortie des ions était voisine de celle

_{correspondant}

à la tension d’extraction

Ve.

On _{voit que} cette dernière

_joue

à la fois sur le débit et sur la focalisation et _{que si}

l’on veut pour différentes intensités faire converger le faisceau

_toujours

au même

_point

il convient

d’ajuster

en même

_{temps ,}

Va et V,.

Nous avons enfin mesuré la

_proportion

d’ions

atomiques

contenue dans le

faisceau

à l’aide d’un

champ

magnétique déflecteur.

Pour

_{l’hydrogène}

la

_proportion

de

_protons

atteint

_{75 %}

dans une

source

_ayant

fonctionné une centaine

d’heures.

On voit que les sources du

_type

haute

_fréquence

per-mettent d’obtenir des courants d’ions

_atomiques

tout à fait en

_rapport

avec les besoins de nombreux

appareils.

Si l’on désire le débit maximum il convient

d’ajuster

avec soin tous les

_paramètres

à leurs valeurs

optimum.

Si l’on désire une excellente stabilité avec

un débit de 30o à 5oo

_VA,

il convient de choisir une

tension d’extraction de 2 kV bien

régulée,

une

pres-sion de l’ordre de

_{6 . I o-3 mm Hg}

et une

_puissance

haute

_fréquence

_importante.

On s’affranchit ainsi des variations accidentelles de ces deux dernières

grandeurs.

Nous remercions MM.

_Bertrand,

_Garchery

et

Patiou de leur collaboration

_technique

tant dans le domaine de la

_mécanique

_{que dans celui} de

l’élec-tronique.

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