EP0473233A1 - High-flux neutron tube - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
- H05H3/06—Generating neutron beams
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/04—Ion sources; Ion guns using reflex discharge, e.g. Penning ion sources
Definitions
- the present invention relates to a neutron tube comprising an ion source having at least one anode and at least one cathode having at least one extraction orifice and also comprising an acceleration device arranged so as to project at least one beam ion source ion on a target to produce a reaction leading to emission of neutrons.
- Neutron tubes are most often in the form of sealed tubes containing a gaseous mixture of deuterium and tritium under low pressure from which the ion source forms a confined ionized gas.
- the emission (or extraction) orifice is made in the cathode, the acceleration (and extraction) electrode making it possible to project the ion beam axially on a target electrode.
- Plasma confinement can be obtained using magnetic and / or electric fields.
- Neutron tubes are used in techniques for examining matter using fast, thermal, epithermal or cold neutrons: neutrography, activation analysis, spectrometry analysis of inelastic scattering or radiative captures, neutron scattering, etc.
- the type of ion source that is most used is the Penning type source which has the advantage of being robust, of being cold cathode (hence a long service life), of giving currents significant discharge for low pressures (of the order of 10 A / torr), to have a high extraction efficiency (from 20 to 40%) and to be of small dimensions.
- This type of source requires a magnetic field of the order of a thousand gauss, parallel to the axis of the ionization chamber, introducing a significant transverse inhomogeneity of current density of the ions inside the discharge and at the level of the extraction which takes place along the common axis of the field and the source.
- the fusion reaction d (3 H ), 4 He ) n delivering 14 MeV neutrons is usually the most used because of its large cross section for relatively low ion energies.
- the number of neutrons obtained per unit of charge passing through the beam is always increasing as the energy of the ions directed towards a thick target is itself increasing and this largely at the beyond the energies of the ions obtained in the sealed tubes currently available and supplied by a THT rarely exceeding 250 kV.
- the erosion of the target by ion bombardment is one of the most determining.
- Erosion is a function of the chemical nature and structure of the target on the one hand, the energy of the incident ions and their density distribution profile on the impact surface on the other.
- the target is made of a hydrurable material (Titanium, Scandium, Zirconium, Erbium etc ...) capable of fixing and releasing large quantities of hydrogen without unacceptable disruption of its mechanical strength; the total quantity set is a function of the target temperature and the hydrogen pressure in the tube.
- the target materials used are deposited in the form of thin layers, the thickness of which is limited by problems of adhesion of the layer to its support.
- One way to delay erosion of the target is, for example, to form the absorbent active layer from a stack of identical layers isolated from each other by a diffusion barrier. The thickness of each of the active layers is of the order of the depth of penetration of the deuterium ions coming to strike the target.
- Another way of protecting the target and therefore of increasing the lifetime of the tube consists in acting on the ion beam so as to improve its density distribution profile on the impact surface. At a constant total ion current on the target, which results in a constant neutron emission, this improvement results from a distribution as uniform as possible of the current density over the entire surface offered by the target to the ion bombardment.
- a drawback results from the fact that the ions extracted and accelerated towards the target react with the molecules of the gas contained in the tube at a pressure, at first contrant order, to produce effects of ionization, dissociation and exchange of charges resulting on the one hand a decrease in the average energy on the target, that is to say a reduction in the production of neutrons and on the other hand the formation of ions and electrons which are then accelerated and bombard the ion source or the tube electrodes.
- an average bombardment density of 0.5 mA, with a maximum of the order of 1 mA should make it possible to exceed one thousand hours of operation: as for the neutron level, for an acceleration voltage 250 kV, it would be around 3.10 10 n / cm. 2 s of 14 MeV neutrons. Obtaining a level of 10 13 n / s would require a target area of 300 cm 2 and 3000 cm 2 for 10 14 n / s.
- the basic idea of the invention consists in carrying out an extraction of ions no longer axial, but radial on the one hand, starting from the recognition of the fact that it allows a reduction of the electric fields producing the cold emission of electrodes, and the resulting number of breakdowns, thanks to an asymmetry in the distribution of the electric field and other by the fact that it makes it possible to arrange the target cylindrically around the source of ions, from where an extremely gain important with regard to the size of a source with a high neutron flux.
- a neutron tube according to the invention is thus characterized in that the ion source is arranged along at least a portion of a first surface of revolution and arranged to produce an emission of radial ions and directed towards the outside of said first surface, in that the acceleration device is arranged along at least a portion of a second surface of revolution surrounding said first surface, and in that the target is arranged along at least part of a third surface of revolution surrounding said second surface.
- the radial extraction mode towards the outside partially eliminates the sheath effect due to the perimeter of the extraction electrode and results, all things being equal. moreover, an increase in the extraction efficiency of the source.
- the tube according to the invention may comprise a device for suppressing secondary electrons known per se and arranged along at least a portion of a fourth surface of revolution comprised between the second and the third surface.
- the acceleration device can advantageously be a cylindrical electrode.
- the ion source consists of at least one elementary source with a Penning structure, which can in particular comprise a plurality of elementary sources arranged in at least portions of superimposed rings.
- the first surface of revolution is a first cylinder and it comprises a first cylindrical magnet disposed on the smallest radius of the first cylinder, and at least a second cylindrical magnet contained in said cathode along the largest radius of the first cylinder, so as to produce a radial magnetic field.
- An anode can be cylindrical or frustoconical of revolution. It can preferably be made up of two parallel discs or with a frustoconical section, which makes it possible to produce a single anode per ring, hence simplification of the production.
- the extraction orifice can be an annular slot, which is favorable to the extraction efficiency.
- the ion source consists of a structure of the inverted magnetron type.
- a structure is usually used only as a measuring instrument (ionization gauge).
- ionization gauge On this point one will refer to the work The Physical Basis of Ultrahigh Vacuum (Redhead et al National Research Council Ottawa, CDN edited by Chapman and Hall Ltd LONDON (GB), in its pages 333 and 334.
- Such a device is used here as an ion source by providing at least one extraction opening in the cathode. At least one anode can be annular.
- a third annular magnet can be arranged so as to produce a longitudinal magnetic field.
- the magnetic field can be obtained by a solenoid surrounding the third (or if necessary the fourth) cylindrical surface and arranged to produce a longitudinal magnetic field.
- a cylindrical anode can be arranged along the smallest radius of the first cylinder and extend substantially over the height of the first cylinder. It is thus possible to obtain with a single anode and a single cathode an emission on a surface of revolution, in particular cylindrical, elongated.
- the ion source is of the orbitron type comprising a second cylindrical anode disposed along the smallest radius of the first cylinder and extending substantially over the height of said first cylinder.
- the ion source may also include a hot cathode.
- the ion source is of the electrostatic reflex type (SIRE) and has at least one annular anode, or advantageously a multiannular electrode.
- SIRE electrostatic reflex type
- FIG. 1 shows the main basic elements of a sealed neutron tube 11 containing a gaseous mixture under low pressure to be ionized such as deuterium-tritium and which comprises an ion source 1 and an acceleration electrode 2 between which exists a very high potential difference allowing the extraction and the focusing of the ion beam 3 and its projection on the target 4 where the fusion reaction takes place resulting in an emission of neutrons at 14 MeV for example.
- a sealed neutron tube 11 containing a gaseous mixture under low pressure to be ionized such as deuterium-tritium and which comprises an ion source 1 and an acceleration electrode 2 between which exists a very high potential difference allowing the extraction and the focusing of the ion beam 3 and its projection on the target 4 where the fusion reaction takes place resulting in an emission of neutrons at 14 MeV for example.
- the ion source 1 secured to an insulator 5 which can allow the THT supply connector, for example 250 kV (not shown) to pass, is a Penning type source for example, consisting of a cylindrical anode 6, of a cathode structure 7 in which is incorporated a magnet 8 with an axial magnetic field which confines the ionized gas 9 around the axis of the anode cylinder and whose lines of force 10 show a certain divergence.
- An ion emission channel 12 is formed in said cathode structure opposite the anode.
- the anode is brought to a higher potential of the order of a few (1 to 6 for example) kV than that of the cathode, itself brought to the very high voltage THT.
- the acceleration electrode 2 and the target 4 are generally at ground potential.
- a neutron tube is, according to the invention with radial emission and extraction.
- the ion source consists of a plurality of sources of the Penning type, arranged according to a cylindrical symmetry (as shown) or else conical. To do this, it has an annular structure, or else a plurality of superimposed annular structures 20 (and of the same section in the case of a cylindrical symmetry).
- Each annular structure 20 mechanically fixed on a central axis 18 brought to a high potential (200 to 250 kV) comprises a cylindrical magnet 8 on the smallest radius of the annular structure 20, and a flat ring 14, as well as a cylindrical part 8 'disposed on the largest radius of the annular structure 20.
- the flat ring 14 forms a part of metallic structure holding the cylindrical magnet 8 and the cylindrical part 8' together, which can itself be constituted by a cylindrical magnet contained in the cathode structure 7.
- the cathode 7 is then formed by the internal cylindrical surfaces corresponding on the one hand to the inner radius of lower value and on the other hand to the outer radius of higher value.
- the cylindrical magnet 8 has a height at least equal to that of the cathode 7.
- the flat ring due to the fact that it serves as a magnetic circuit, itself consists of magnetic material (soft iron or magnetic alloy for example).
- a plurality of cylindrical anodes 6 are distributed radially around the periphery of the annular structure 20, and have substantially the same axis as the extraction openings 12 formed in the cylindrical part 8 'of the cathode structure 7.
- An acceleration electrode 2 is in the form of a cylinder (or a cone) having acceleration openings 21 located opposite the openings 12.
- the target has a cylindrical (or conical) support 4 on which the acceleration electrode 2 can be connected mechanically and electrically.
- a tapered high-voltage insulator 5 mechanically holds the assembly.
- the ion source can be arranged in such a way that the emission takes place over the entire periphery or only over a part or sector thereof.
- the ring can extend over 360 or only over a more limited angle, and has openings 12 only at the useful places.
- the openings 12 of two superimposed rings can be angularly offset for example for better homogeneity of the beam on the target.
- a deuterium-tritium reservoir is shown at 23 as well as a pressure measurement gauge 22.
- Electrodes 24 suppressing secondary electrons are arranged in intermediate planes between the rings, apart from the ion beams 3. Insulating bushings 25 distributed around the perimeter allow their mechanical fixing and / or their electrical supply.
- the electrodes 24 are brought to a negative potential (-5 kV for example) relative to those of the acceleration electrode 2 and the target 4 grounded, and is advantageously made of a refractory material.
- the electrodes 24 are preferably toric in V section to match the better the profile of the ion beams 3.
- a second model of ion source structure still of the Penning type, consists in integrating the n cylindrical (or conical) ion source modules in an annular structure having close electrical mapping, the distribution of the magnetic field being similar to the former.
- the anode of the structure consists of two parallel discs 16 or inclined 16 'relative to each other to better match the lines of force of the magnetic field.
- the cathode 7 of the structure is formed by the internal cylindrical surfaces corresponding on the one hand to the inner radius of lower value and on the other hand to the outer radius of higher value, this latter surface is pierced over its entire length with a extraction slot 32 of height and depth coupled so as to avoid excessive penetration of the electric field applied by the acceleration electrode.
- the magnetic field inside the structure must be greater than the cut-off field (value linked on the one hand to the geometric structure: distance between the two anode rings and to a lesser degree at the intercathode distance and on the other hand to the voltage applied between anode and cathode) that is to say to the magnetic field preventing electrons from reaching the anode from oscillations without ionizing shock.
- the magnets used to produce this magnetic field consist as above of rings distributed in two assemblies held mechanically by metal carcasses 14 serving as a magnetic circuit (magnetic material).
- the first set consists of two rings 8 'arranged on either side of the extraction slot.
- the second magnet consists of a cylinder 8 whose thickness depends on the magnetic field necessary for the proper functioning of the source and the nature of the material used. Its height is at least equal to the height of the cathode 7.
- annular structures corresponding to fig.3a, but of different radii, are stacked to form a frustoconical structure.
- the acceleration electrode 2 and the target 4 can also be frustoconical.
- the ion source is produced from a so-called "inverted magnetron" structure, known for producing an ionization gauge (book by Redhead et al supra).
- the dimensions are practically identical to those of the Penning structure as well as the operating pressure and tensions.
- the anode is constituted by a ring 40 (for example 3 cm high, on a radius of 5 cm) located inside the cathode cavity 42, the main element of which is constituted by the cylindrical cathode wall 41 separated into two parts by the extraction slot 32.
- the height of an elementary cell can for example be 6 to 8 cm.
- the electric field is, in this zone, radial and the confining magnetic field is generally perpendicular and therefore parallel to the axis of symmetry of the structure.
- the electrons accelerated towards the anode are deflected towards the cathode by the magnetic field and describe cycloOlaes (figure 4b) on the basis of the cylindrical surface (or the equipotential surface) on which they were created.
- the confining magnetic field can be created by magnets 48 in the form of discs arranged symmetrically with respect to the plane of symmetry of the structure; these magnets 48 can be held mechanically on a metal support 43 acting as a magnetic circuit and whose diameter is less than the anode diameter. It can also be created by a coil 50 arranged outside the tube structure ( Figures 5 and 6) and leading to the production of a magnetic field greater than the cut-off field.
- the coil 50 has a height which can advantageously be 1.5 to 2 times the total height of the cathode structures. This configuration can be advantageous in certain uses requiring braking of the neutrons, use of a heavy coiling material, cooled by circulation of water which can also be used for cooling the target.
- the anode can be constituted (FIG. 5) by a ring 40 disposed in each cathode cavity 42 delimited by flat rings 52 of conductive material, the cathode being constituted by conductive rings 51 (for example 3 to 4 cm in height) integral with the flat rings 52 (for example 2 mm in height) between which there are extraction slots 32.
- the anode is preferably made up (FIG. 6) by a single cylinder ( or truncated cone) 55 fixed by spacers 56, the flat rings 52 being removed.
- the structures presented now include an ion source, radially extracted according to the invention, with an electric confining field.
- Figures 7 and 8 show an orbitron structure having an anode 70 of small dimension (diameter for example between 0.05 and 0.1 cm), located on the axis of the cathode 51 (diameter for example between 10 and 15 cm).
- This structure may be with a cold cathode (FIG. 7) and therefore requiring a high anode voltage and an operating pressure as well as possible within the range of 10- 4- 10- 3 torr or also having a hot cathode 71 (FIG. 8) , resulting in a larger extension of the operating range to low pressures.
- the operating principle is as follows: the electrons emitted by the filaments or the cathodes are attracted to the anode; according to their angle of emission and their initial energy, they can "miss" the anode and thus oscillate for a long time inside the structure, the probability of ionization is thus strongly increased and a discharge, with formation of a plasma is created.
- the ions are attracted to the cathode and their extraction is done through one where several cylindrical slots 32.
- the extraction and the position of the slots 32 can be carried out in a similar manner to the inverted magnetron structure with solenoid.
- the acceleration 2 and suppression 24 structure of the target's secondary electrons are similar to that of ion source systems with a confining magnetic field.
- the shape and position of the suppressor electrode 24 must take account of the higher operating pressures, in accordance with the provisions taken in the aforementioned French patent n ° 88 13186.
- FIGS. 9 and 10 show electrostatic reflex structures (SIRE) with cold cathode.
- the anode 90 is close to the cylindrical cathode 51 (diameter of the cathode for example between 2 and 3 cm) and the electrons oscillate between the two plane sections of the cathode; the ion current density is much higher on the two flat sections of the cathode, in particular at low pressure (p ⁇ 10- 3 torr).
- the radial extraction takes place via cylindrical slots 32 formed in the cylindrical wall of the cathode 51, under conditions similar to those of the inverted magnetron structure.
- Their relative surface compared to the total surface of the cylindrical part of the cathode
- the number of slots depends on the height of the structure of the ion source and its dimensions.
- the number of annular anodes (circular or cylindrical section) cooled or not and arranged in the middle part between the extraction surfaces is a function of the height of the structure.
- Figure 9 shows a structure with four extraction "rings"
- Figure 10 shows a much higher neutron tube with N extraction structures (N> 4). In this case, an anode having several rings 91 is used.
- the parts “acceleration” 2 and “suppression of secondary electrons” 24 are similar to those of structures with magnetic fields.
- the diameter of the SIRE structure can be of the order of 10 to 15 cm. Their operating pressures are generally between 10 -3 torr and some 10- 2 torr, and tensions between some kV and 12 kV.
- electrostatic structures their larger volume and their own configuration only allows a reduced number of complementary cells, knowing that the dimensions of the tube are close to those of magnetic field structures and that electrostatic structures are equipped with several extraction slots. It is also advantageous to modify the structures themselves (position and number of anodes in the SIRE structure, height of the cylindrical cathodes in the SIRE and orbitron structures).
- the invention is not limited to the embodiments described and shown. It also applies for example to neutron tubes in a Deuterium atmosphere only (production of 2.6 MeV neutrons).
- pulsed operation is possible after placement in the ion source, in a manner known per se for axial emission sources, of an electron source or an emitter a and / or and / or producing the first electric particles therein, causing the ignition and the discharge in the ion source.
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un tube neutronique comportant une source d'ions présentant au moins une anode et au moins une cathode présentant au moins un orifice d'extraction et comportant également un dispositif d'accélération disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible pour y produire une réaction entraînant une émission de neutrons.The present invention relates to a neutron tube comprising an ion source having at least one anode and at least one cathode having at least one extraction orifice and also comprising an acceleration device arranged so as to project at least one beam ion source ion on a target to produce a reaction leading to emission of neutrons.
Les tubes neutroniques se présentent le plus souvent sous la forme de tubes scellés contenant un mélange gazeux de deutérium et de tritium sous faible pression à partir duquel la source d'ions forme un gaz ionisé confiné. L'orifice d'émission (ou d'extraction) est pratiqué dans la cathode, l'électrode d'accélération (et d'extraction) permettant de projeter le faisceau d'ions axialement sur une électrode cible.Neutron tubes are most often in the form of sealed tubes containing a gaseous mixture of deuterium and tritium under low pressure from which the ion source forms a confined ionized gas. The emission (or extraction) orifice is made in the cathode, the acceleration (and extraction) electrode making it possible to project the ion beam axially on a target electrode.
Un confinement du plasma peut être obtenu à l'aide de champs magnétiques et/ou électrique. Les tubes neutroniques sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par neutrons rapides, thermiques, épithermiques ou froids : neutrographie, analyse par activation, analyse par spectrométrie des diffusions inélastiques ou des captures radiatives, diffusion des neutrons etc...Plasma confinement can be obtained using magnetic and / or electric fields. Neutron tubes are used in techniques for examining matter using fast, thermal, epithermal or cold neutrons: neutrography, activation analysis, spectrometry analysis of inelastic scattering or radiative captures, neutron scattering, etc.
Le type de source d'ions qui est le plus utilisé est la source de type Penning qui a l'avantage d'être robuste, d'être à cathode froide (d'où une longue durée d'utilisation), de donner des courants de décharge importants pour de faibles pressions (de l'ordre de 10 A/torr), d'avoir un rendement d'extraction élevé (de 20 à 40 %) et d'être de faibles dimensions. Ce type de source nécessite un champ magnétique de l'ordre du millier de gauss, parallèle à l'axe de la chambre d'ionisation, introduisant une inhomogénéité transverse importante de densité de courant des ions à l'intérieur de la décharge et au niveau de l'extraction qui s'effectue suivant l'axe commun du champ et de la source.The type of ion source that is most used is the Penning type source which has the advantage of being robust, of being cold cathode (hence a long service life), of giving currents significant discharge for low pressures (of the order of 10 A / torr), to have a high extraction efficiency (from 20 to 40%) and to be of small dimensions. This type of source requires a magnetic field of the order of a thousand gauss, parallel to the axis of the ionization chamber, introducing a significant transverse inhomogeneity of current density of the ions inside the discharge and at the level of the extraction which takes place along the common axis of the field and the source.
La réaction de fusion d(3H), 4He)n délivrant des neutrons de 14 MeV est habituellement la plus utilisée en raison de sa grande section efficace pour des énergies d'ions relativement faibles. Toutefois, quelle que soit la réaction utilisée, le nombre de neutrons obtenu par unité de charge transitant dans le faisceau est toujours croissant au fur et à mesure que l'énergie des ions dirigés vers une cible épaisse est elle-même croissante et ceci largement au delà des énergies des ions obtenus dans les tubes scellés actuellement disponibles et alimentés par une THT n'excédant que rarement 250 kV.The fusion reaction d (3 H ), 4 He ) n delivering 14 MeV neutrons is usually the most used because of its large cross section for relatively low ion energies. However, whatever the reaction used, the number of neutrons obtained per unit of charge passing through the beam is always increasing as the energy of the ions directed towards a thick target is itself increasing and this largely at the beyond the energies of the ions obtained in the sealed tubes currently available and supplied by a THT rarely exceeding 250 kV.
Parmi les principaux facteurs limitatifs de la durée de vie d'un tube neutronique, l'érosion de la cible par le bombardement ionique est l'un des plus déterminants.Among the main factors limiting the life of a neutron tube, the erosion of the target by ion bombardment is one of the most determining.
L'érosion est fonction de la nature chimique et de la structure de la cible d'une part, de l'énergie des ions incidents et de leur profil de répartition en densité sur la surface d'impact d'autre part.Erosion is a function of the chemical nature and structure of the target on the one hand, the energy of the incident ions and their density distribution profile on the impact surface on the other.
Dans la plupart des cas, la cible est constituée par un matériau hydrurable (Titane, Scandium, Zirconium, Erbium etc...) capable de fixer et de relâcher des quantités importantes d'hydrogène sans perturbation rédhibitoire de sa tenue mécanique ; la quantité totale fixée est fonction de la température de la cible et de la pression d'hydrogène dans le tube. Les matériaux cibles utilisés sont déposés sous forme de couches minces dont l'épaisseur est limitée par des problèmes d'adhérence de la couche sur son support. Un moyen de retarder l'érosion de la cible consiste par exemple à former la couche active absorbante d'un empilage de couches identiques isolées les unes des autres par une barrière de diffusion. L'épaisseur de chacune des couches actives est de l'ordre de la profondeur de pénétration des ions deutérium venant frapper la cible.In most cases, the target is made of a hydrurable material (Titanium, Scandium, Zirconium, Erbium etc ...) capable of fixing and releasing large quantities of hydrogen without unacceptable disruption of its mechanical strength; the total quantity set is a function of the target temperature and the hydrogen pressure in the tube. The target materials used are deposited in the form of thin layers, the thickness of which is limited by problems of adhesion of the layer to its support. One way to delay erosion of the target is, for example, to form the absorbent active layer from a stack of identical layers isolated from each other by a diffusion barrier. The thickness of each of the active layers is of the order of the depth of penetration of the deuterium ions coming to strike the target.
Une autre façon de protéger la cible et donc d'accroître la durée de vie du tube consiste à agir sur le faisceau d'ions de manière à améliorer son profil de répartition en densité sur la surface d'impact. A courant d'ions total constant sur la cible ce qui entraîne une émission neutronique constante, cette amélioration résulte d'une répartition aussi uniforme que possible de la densité de courant sur l'ensemble de la surface offerte par la cible au bombardement des ions.Another way of protecting the target and therefore of increasing the lifetime of the tube consists in acting on the ion beam so as to improve its density distribution profile on the impact surface. At a constant total ion current on the target, which results in a constant neutron emission, this improvement results from a distribution as uniform as possible of the current density over the entire surface offered by the target to the ion bombardment.
Un inconvénient résulte du fait que les ions extraits et accélérés vers la cible réagissent avec les molécules du gaz contenues dans le tube à une pression, au premier ordre contrante, pour produire des effets d'ionisation, de dissociation et d'échange de charges entraînant d'une part une diminution de l'énergie moyenne sur la cible, c'est-à-dire une réduction de la production de neutrons et d'autre part la formation d'ions et d'électrons qui sont ensuite accélérés et bombardent la source d'ions ou les électrodes du tube.A drawback results from the fact that the ions extracted and accelerated towards the target react with the molecules of the gas contained in the tube at a pressure, at first contrant order, to produce effects of ionization, dissociation and exchange of charges resulting on the one hand a decrease in the average energy on the target, that is to say a reduction in the production of neutrons and on the other hand the formation of ions and electrons which are then accelerated and bombard the ion source or the tube electrodes.
Il en résulte des dépôts d'énergies qui accroissent la température des matériaux des électrodes tels que le molybdène ou l'acier inoxydable. L'échauffement de ces matériaux provoque la désorption d'impuretés telles que l'oxyde de carbone qu'ils renferment et perturbe ainsi la qualité de l'atmosphère du tube. Les ions d'impuretés formés dans le tube, CO` par exemple, bombardent la cible avec un coefficient de pulvérisation supérieur d'un facteur 102 à 103 à celui des ions deutérium-tritium, d'où une accentuation importante de l'érosion. Ces effets croissent avec la pression de fonctionnement dans le tube neutronique.This results in deposits of energy which increase the temperature of the materials of the electrodes such as molybdenum or stainless steel. The heating of these materials causes the desorption of impurities such as the carbon monoxide which they contain and thus disturbs the quality of the atmosphere of the tube. The impurity ions formed in the tube, CO` for example, bombard the target with a spray coefficient greater by a factor of 10 2 to 10 3 than that of the deuterium-tritium ions, resulting in a significant accentuation of the erosion. These effects increase with the operating pressure in the neutron tube.
Ces considérations à caractère général valables quelque soit la nature de la source d'ions montrent que l'obtention de flux neutronique élevé avec de longues durées d'utilisation (par exemple plusieurs milliers d'heures) nécessite d'utiliser :
- - des cibles de grandes surfaces,
- - des densités de bombardement ionique des cibles compatible avec un refroidissement efficace et une faible pulvérisation,
- - des pressions de fonctionnement réduites nécessitant, par conséquent, des sources d'ions efficaces en production d'ions.
- - targets of large areas,
- - ion bombardment densities of the targets compatible with efficient cooling and low sputtering,
- - reduced operating pressures therefore necessitating efficient ion sources in ion production.
A titre d'illustration, une densité moyenne de bombardement de 0,5 mA, avec un maxima de l'ordre de 1 mA devrait permettre de dépasser le millier d'heures de fonctionnement : quant au niveau neutronique, pour une tension d'accélération de 250 kV, il serait d'environ 3.1010 n/cm.2s de neutrons de 14 MeV. L'obtention d'un niveau de 1013 n/s nécessiterait une surface de cible de 300 cm2 et 3000 cm2 pour 1014 n/s.By way of illustration, an average bombardment density of 0.5 mA, with a maximum of the order of 1 mA should make it possible to exceed one thousand hours of operation: as for the neutron level, for an acceleration voltage 250 kV, it would be around 3.10 10 n / cm. 2 s of 14 MeV neutrons. Obtaining a level of 10 13 n / s would require a target area of 300 cm 2 and 3000 cm 2 for 10 14 n / s.
D'autres types connus de sources d'ions, à confinement électrostatique des ions, telle que celle décrite dans la demande de brevet français n° 88 13188 déposée par la Demanderesse le 7 Octobre 1988 et publiée sous le n° FR 26 37 727 présente des caractéristiques similaires en ce qui concerne l'usure de la cible.Other known types of ion sources, with electrostatic confinement of ions, such as that described in French patent application No. 88 13188 filed by the Applicant on October 7, 1988 and published under No. FR 26 37 727 present similar characteristics with regard to the wear of the target.
Il a par ailleurs été proposé par la Demanderesse dans la demande de brevet français n 88 13187 déposé le 7 octobre 1988 et publiée sous le n°FR 26 37 726 une source d'ions de type multicellulaire présentant une cellule de Penning comportant une anode multitrous disposée à l'intérieur de la cavité cathodique afin d'accroître le courant d'ions. Il est ainsi possible d'obtenir une homogénéité de courant plus élevée sur une cible de plus grande dimension, mais des niveaux d'émission tels que mentionnés ci-dessus demanderaient cependant des dimensions prohibitives.It has also been proposed by the Applicant in French patent application No. 88 13187 filed on October 7, 1988 and published under No. FR 26 37 726 an ion source of multicellular type having a Penning cell comprising a multi-hole anode arranged inside the cathode cavity to increase the ion current. It is thus possible to obtain a higher current homogeneity on a larger target, but emission levels as mentioned above would however require prohibitive dimensions.
L'idée de base de l'invention consiste à réaliser une extraction d'ions non plus axiale, mais radiale d'une part, en partant de la reconnaissance du fait qu'elle permet une réduction des champs électriques produisant l'émission froide des électrodes, et du nombre de claquage en résultant, grâce à une dissymétrie dans la répartition du champ électrique et d'autre par du fait qu'elle permet de disposer la cible cylindriquement autour de la source d'ions, d'où un gain extrêmement important en ce qui concerne l'encombrement d'une source à flux neutronique élevé.The basic idea of the invention consists in carrying out an extraction of ions no longer axial, but radial on the one hand, starting from the recognition of the fact that it allows a reduction of the electric fields producing the cold emission of electrodes, and the resulting number of breakdowns, thanks to an asymmetry in the distribution of the electric field and other by the fact that it makes it possible to arrange the target cylindrically around the source of ions, from where an extremely gain important with regard to the size of a source with a high neutron flux.
Un tube neutronique selon l'invention est ainsi caractérisé en ce que la source d'ions est disposée selon au moins une portion d'une première surface de révolution et agencée pour produire une émission d'ions radiale et dirigée vers l'extérieur de ladite première surface, en ce que le dispositif d'accélération est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de révolution entourant ladite première surface, et en ce que la cible est disposée selon au moins une partie d'une troisième surface de révolution entourant ladite deuxième surface.A neutron tube according to the invention is thus characterized in that the ion source is arranged along at least a portion of a first surface of revolution and arranged to produce an emission of radial ions and directed towards the outside of said first surface, in that the acceleration device is arranged along at least a portion of a second surface of revolution surrounding said first surface, and in that the target is arranged along at least part of a third surface of revolution surrounding said second surface.
On notera en outre qu'en ce qui concerne la source d'ions, le mode d'extraction radiale vers l'extérieur supprime en partie l'effet de gaine dû au périmètre de l'électrode d'extraction et entraîne, toutes choses égales par ailleurs, un accroissement du rendement d'extraction de la source.It will also be noted that with regard to the ion source, the radial extraction mode towards the outside partially eliminates the sheath effect due to the perimeter of the extraction electrode and results, all things being equal. moreover, an increase in the extraction efficiency of the source.
Le tube selon l'invention peut comporter un dispositif suppresseur d'électrons secondaires connu en soi et disposé selon au moins une portion d'une quatrième surface de révolution comprise entre la deuxième et la troisième surface.The tube according to the invention may comprise a device for suppressing secondary electrons known per se and arranged along at least a portion of a fourth surface of revolution comprised between the second and the third surface.
Le dispositif d'accélération peut être avantageusement une électrode cylindrique.The acceleration device can advantageously be a cylindrical electrode.
Selon un premier mode de réalisation, à confinement magnétique, la source d'ions est constituée par au moins une source élémentaire à structure Penning, pouvant notamment comporter une pluralité de sources élémentaires disposées selon au moins des portions d'anneaux superposés. Selon un mode de réalisation avantageux, la première surface de révolution est un premier cylindre et il comporte un premier aimant cylindrique disposé sur le plus petit rayon du premier cylindre, et au moins un deuxième aimant cylindrique contenu dans ladite cathode selon le plus grand rayon du premier cylindre, de manière à produire un champ magnétique radial.According to a first embodiment, with magnetic confinement, the ion source consists of at least one elementary source with a Penning structure, which can in particular comprise a plurality of elementary sources arranged in at least portions of superimposed rings. According to an advantageous embodiment, the first surface of revolution is a first cylinder and it comprises a first cylindrical magnet disposed on the smallest radius of the first cylinder, and at least a second cylindrical magnet contained in said cathode along the largest radius of the first cylinder, so as to produce a radial magnetic field.
Une anode peut être cylindrique ou tronconique de révolution. Elle peut être de préférence constituée de deux disques parallèles ou à section tronconique, ce qui permet de réaliser une seule anode par anneau, d'où simplification de la réalisation. L'orifice d'extraction peut être une fente annulaire, ce qui est favorable au rendement d'extraction.An anode can be cylindrical or frustoconical of revolution. It can preferably be made up of two parallel discs or with a frustoconical section, which makes it possible to produce a single anode per ring, hence simplification of the production. The extraction orifice can be an annular slot, which is favorable to the extraction efficiency.
Selon un deuxième mode de réalisation, à confinement magnétique, la source d'ions est constituée par une structure de type magnétron inversé. Une telle structure est habituellement utilisée uniquement comme instrument de mesure (jauge à ionisation). Sur ce point on se reportera à l'ouvrage The Physical Basis of Ultrahigh Vacuum (Redhead et al National Research Council Ottawa, CDN édité par Chapman and Hall Ltd LONDON (GB), en ses pages 333 et 334. Un tel dispositif est utilisé ici comme source d'ions en ménageant au moins un orifice d'extraction dans la cathode. Au moins une anode peut être annulaire. Un troisième aimant annulaire peut être disposé de manière à produire un champ magnétique longitudinal. Le champ magnétique peut être obtenu grâce à un solénoïde entourant la troisième (ou en cas échéant la quatrième) surface cylindrique et agencé de manière à produire un champ magnétique longitudinal. Dans ce cas et selon une variante préférée de l'invention, une anode cylindrique peut être disposée selon le plus petit rayon du premier cylindre et s'étendre sensiblement sur la hauteur du premier cylindre. On peut ainsi obtenir avec une seule anode et une seule cathode une émission sur une surface de révolution, notamment cylindrique, allongée.According to a second embodiment, with magnetic confinement, the ion source consists of a structure of the inverted magnetron type. Such a structure is usually used only as a measuring instrument (ionization gauge). On this point one will refer to the work The Physical Basis of Ultrahigh Vacuum (Redhead et al National Research Council Ottawa, CDN edited by Chapman and Hall Ltd LONDON (GB), in its pages 333 and 334. Such a device is used here as an ion source by providing at least one extraction opening in the cathode. At least one anode can be annular. A third annular magnet can be arranged so as to produce a longitudinal magnetic field. The magnetic field can be obtained by a solenoid surrounding the third (or if necessary the fourth) cylindrical surface and arranged to produce a longitudinal magnetic field. In this case and according to a preferred variant of the invention, a cylindrical anode can be arranged along the smallest radius of the first cylinder and extend substantially over the height of the first cylinder. It is thus possible to obtain with a single anode and a single cathode an emission on a surface of revolution, in particular cylindrical, elongated.
Selon un troisième mode de réalisation, à confinement électrostatique, la source d'ions est du type orbitron comportant une deuxième anode cylindrique disposée selon le plus petit rayon du premier cylindre et s'étendant sensiblement sur la hauteur dudit premier cylindre. La source d'ions peut également comporter une cathode chaude.According to a third embodiment, with electrostatic confinement, the ion source is of the orbitron type comprising a second cylindrical anode disposed along the smallest radius of the first cylinder and extending substantially over the height of said first cylinder. The ion source may also include a hot cathode.
Selon un quatrième mode de réalisation, à confinement électrostatique, la source d'ions est du type Reflex électrostatique (SIRE) et présente au moins une anode annulaire, ou avantageusement un électrode multiannulaire.According to a fourth embodiment, with electrostatic confinement, the ion source is of the electrostatic reflex type (SIRE) and has at least one annular anode, or advantageously a multiannular electrode.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent :
- - la figure 1, un tube neutronique à extraction axiale du type Penning, selon l'art antérieur (demande FR 2637725).
- - les fig. 2a et 2b, dans une même structure cylindrique, deux variantes d'un tube à source d'ions de type Penning, à extraction radiale selon l'invention, les fig. 2c et 2d étant des détails des fig. 2a et 2b.
- - les fig. 3a et 3b, dans une même structure cylindrique, deux variantes préférées d'un tube à source Penning, à extraction radiale selon l'invention, les fig. 3c et 3d étant des détails des fig 3a et 3b, et la fig. 3e une variante de la fig.3a correspondant à une émission tronconique.
- - la fig. 4 une première variante d'un tube à source d'ions de type magnétron inversé, à extraction radiale selon l'invention, la fig. 4b représentant le cheminement des électrons ionisants dans une telle source d'ions.
- - les fig. 5
et 6 deux variantes d'un tube à source magnétron inversé, à extraction radiale selon l'invention, avec aimant ou solénoïde. - - les fig. 7
et 8 deux variantes d'un tube à source d'ions du type orbitron, à extraction radiale selon l'invention. - - et les fig. 9 et 10 deux variantes d'un tube à source d'ions de type Reflex électrostatique, à extraction radiale selon l'invention.
- - Figure 1, a neutron tube with axial extraction of the Penning type, according to the prior art (application FR 2637725).
- - figs. 2a and 2b, in the same cylindrical structure, two variants of an ion source tube of the Penning type, with radial extraction according to the invention, FIGS. 2c and 2d being details of FIGS. 2a and 2b.
- - figs. 3a and 3b, in the same cylindrical structure, two preferred variants of a Penning source tube, with radial extraction according to the invention, FIGS. 3c and 3d being details of figs 3a and 3b, and fig. 3rd a variant of fig.3a corresponding to a frustoconical emission.
- - fig. 4 a first variant of an inverted magnetron type ion source tube, with radial extraction according to the invention, FIG. 4b representing the path of ionizing electrons in such an ion source.
- - figs. 5 and 6 two variants of an inverted magnetron source tube, with radial extraction according to the invention, with magnet or solenoid.
- - figs. 7 and 8 two variants of an ion source tube of the orbitron type, with radial extraction according to the invention.
- - and fig. 9 and 10 two variants of an ion source tube of the electrostatic Reflex type, with radial extraction according to the invention.
Le dessin de la figure 1 montre les principaux éléments de base d'un tube neutronique scellé 11 renfermant un mélange gazeux sous faible pression à ioniser tel que deutérium-tritium et qui comporte une source d'ions 1 et une électrode d'accélération 2 entre lesquelles existe une différence de potentiel très élevée permettant l'extraction et la focalisation du faisceau d'ions 3 et sa projection sur la cible 4 où s'effectue la réaction de fusion entraînant une émission de neutrons à 14 MeV par exemple.The drawing of Figure 1 shows the main basic elements of a sealed
La source d'ions 1 solidaire d'un isolateur 5 pouvant permettre le passage du connecteur d'alimentation en THT par exemple 250 kV (non représenté) est une source de type Penning par exemple, constituée d'une anode cylindrique 6, d'une structure cathodique 7 à laquelle est incorporé un aimant 8 à champ magnétique axial qui confine le gaz ionisé 9 aux alentours de l'axe du cylindre d'anode et dont les lignes de force 10 accusent une certaine divergence. Un canal d'émission des ions 12 est pratiqué dans ladite structure cathodique en vis-à-vis de l'anode.The
L'anode est portée à un potentiel supérieur de l'ordre de quelques (1 à 6 par exemple) kV à celui de la cathode, elle même portée à la très haute tension THT. L'électrode d'accélération 2 et la cible 4 sont en général au potentiel de masse.The anode is brought to a higher potential of the order of a few (1 to 6 for example) kV than that of the cathode, itself brought to the very high voltage THT. The
Selon les figures 2a et 2c, un tube neutronique est, selon l'invention à émission et à extraction radiale. La source d'ions est constituée d'une pluralité de sources de type Penning, arrangées selon une symétrie cylindrique (comme représenté) ou bien conique. Pour ce faire elle compte une structure annulaire, ou bien une pluralité de structures annulaires superposées 20 (et de même section dans le cas d'une symétrie cylindrique). Chaque structure annulaire 20 fixée mécaniquement sur un axe central 18 porté à un potentiel élevé (200 à 250 kV) comporte un aimant cylindrique 8 sur le plus petit rayon de la structure annulaire 20, et un anneau plat 14, ainsi qu'une partie cylindrique 8' disposée sur le plus grand rayon de la structure annulaire 20. L'anneau plat 14 forme une partie de structure métallique maintenant solidaires l'aimant cylindrique 8 et la partie cylindrique 8', qui peut être elle-même constituée par un aimant cylindrique contenu dans la structure cathodique 7. La cathode 7 est alors constituée par les surfaces cylindriques internes correspondant d'une part au rayon intérieur de plus faible valeur et d'autre part par au rayon extérieur de plus forte valeur. L'aimant cylindrique 8 a une hauteur au moins égale à celle de la cathode 7. L'anneau plat, du fait qu'il sert de circuit magnétique est constitué lui-même de matériau magnétique (fer doux ou alliage magnétique par exemple).According to Figures 2a and 2c, a neutron tube is, according to the invention with radial emission and extraction. The ion source consists of a plurality of sources of the Penning type, arranged according to a cylindrical symmetry (as shown) or else conical. To do this, it has an annular structure, or else a plurality of superimposed annular structures 20 (and of the same section in the case of a cylindrical symmetry). Each
Une pluralité d'anodes cylindriques 6 sont réparties radialement sur le pourtour de la structure annulaire 20, et ont sensiblement le même axe que les ouvertures d'extraction 12 ménagées dans la partie cylindrique 8' de la structure cathodique 7. Une électrode d'accélération 2 se présente sur la forme d'un cylindre (ou d'un cône) présentant des ouvertures d'accélération 21 situées en face des ouvertures 12. La cible comporte un support cylindrique (ou conique) 4 sur lequel l'électrode d'accélération 2 peut être raccordée mécaniquement et électriquement. Un isolateur haute tension tronconique 5 maintient mécaniquement l'ensemble. La source d'ions peut être agencée de manière telle que l'émission ait lieu sur tout le pourtour ou seulement sur une partie ou secteur de celui-ci. Pour ce faire l'anneau peut s'étendre sur 360 ou seulement sur un angle plus limité, et comporte des ouvertures 12 seulement aux endroits utiles. Les ouvertures 12 de deux anneaux superposés peuvent être décalés angulairement par exemple pour une meilleure homogénéité du faisceau sur la cible. Un réservoir de deutérium-tritium est figuré en 23 ainsi qu'une jauge de mesure de pression 22. Des électrodes 24 suppresseurs d'électrons secondaires sont disposées dans des plans intermédiaires entre les anneaux, en dehors des faisceaux ioniques 3. Des traversées isolantes 25 réparties sur le pourtour permettent leur fixation mécanique et/ou leur alimentation électrique. Les électrodes 24 sont portées à un potentiel négatif (-5 kV par exemple) par rapport à ceux de l'électrode d'accélération 2 et de la cible 4 mises à la masse, et est avantageusement réalisée en un matériau réfractaire. Pour plus de renseignements, on se reportera à la demande de brevet français n 88 13186 déposée le 7 Octobre 1988 par la Demanderesse et publiée sous le n° FR 2 637 725. Les électrodes 24 sont de préférence toriques à section en V pour épouser au mieux le profil des faisceaux ioniques 3.A plurality of
Aux figures 2b et 2d, les anodes 6' sont coniques et non cylindriques. Ces deux variantes ont été représentées par convenance sur une même structure cylindrique. On trouvera plus d'indication sur cette forme d'anode dans la demande de brevet français n° 88 13185 déposée le 7 Octobre 1988 par la Demanderesse et publiée sous le n° FR 2 637 724.In Figures 2b and 2d, the anodes 6 'are conical and not cylindrical. These two variants have been shown for convenience on the same cylindrical structure. More information on this form of anode can be found in French patent application No. 88 13185 filed on October 7, 1988 by the Applicant and published under No.
Un deuxième modèle de structure de source d'ions, toujours de type Penning consiste à intégrer les n modules de source d'ions cylindriques (ou coniques) dans une structure annulaire présentant une cartographie électrique proche, la répartition du champ magnétique étant semblable à la précédente. Pour ce faire, l'anode de la structure est constituée de deux disques parallèles 16 ou inclinés 16' l'un par rapport à l'autre pour mieux épouser les lignes de force de champ magnétique. Ces structures sont représentées figures 3a à 3d. La cathode 7 de la structure est constituée par les surfaces cylindriques internes correspondant d'une part au rayon intérieur de plus faible valeur et d'autre part au rayon extérieur de plus forte valeur, cette dernière surface est percée sur toute sa longueur d'une fente d'extraction 32 de hauteur et de profondeur couplées de façon à éviter la pénétration trop importante du champ électrique appliqué par l'électrode d'accélération. Comme dans une structure Penning classique, le champ magnétique à l'intérieur de la structure doit être supérieur au champ de coupure (valeur liée d'une part à la structure géométrique : distance entre les deux anneaux anodiques et à degré moindre à la distance intercathodique et d'autre part à la tension appliquée entre anode et cathode) c'est-à-dire au champ magnétique empêchant les électrons d'atteindre l'anode à partir d'oscillations sans choc ionisant.A second model of ion source structure, still of the Penning type, consists in integrating the n cylindrical (or conical) ion source modules in an annular structure having close electrical mapping, the distribution of the magnetic field being similar to the former. To do this, the anode of the structure consists of two
Les aimants utilisés pour produire ce champ magnétique sont constitués comme précédemment d'anneaux répartis en deux ensembles maintenus mécaniquement par des carcasses métalliques 14 servant de circuit magnétique (matériau magnétique). Le premier ensemble est constitué de deux anneaux 8' disposés de part et d'autre de la fente d'extraction. Le deuxième aimant est constitué d'un cylindre 8 dont l'épaisseur est fonction du champ magnétique nécessaire au bon fonctionnement de la source et de la nature du matériau utilisé. Sa hauteur est au moins égale à la hauteur de la cathode 7.The magnets used to produce this magnetic field consist as above of rings distributed in two assemblies held mechanically by
Selon la figure 3e, des structures annulaires correspondant à la fig.3a, mais de rayons différents, sont empilés pour former une structure tronconique. L'électrode d'accélération 2 et la cible 4 peuvent être également tronconiques.According to Figure 3e, annular structures corresponding to fig.3a, but of different radii, are stacked to form a frustoconical structure. The
Pour la figure 3a, on peut avoir les valeurs suivantes : ri = 4 cm, r2 = 7 cm, r3 = 10,5 cm, r4 = 15 cm ; épaisseur de l'aimant 8 : 1 cm ; épaisseur de l'aimant 8' : 1,5 cm ; hauteur d'un anneau h = 6 cm.For Figure 3a, we can have the following values: ri = 4 cm, r 2 = 7 cm, r 3 = 10.5 cm, r 4 = 15 cm; thickness of magnet 8: 1 cm; thickness of the
Selon les figures 4a et 4b, la source d'ions est réalisée à partir d'une structure dite "magnétron inversé", connue pour réaliser une jauge à ionisation (livre de Redhead et al précité). Les dimensions sont pratiquement identiques à celles de la structure Penning ainsi que la pression et les tensions de fonctionnement.According to FIGS. 4a and 4b, the ion source is produced from a so-called "inverted magnetron" structure, known for producing an ionization gauge (book by Redhead et al supra). The dimensions are practically identical to those of the Penning structure as well as the operating pressure and tensions.
Dans cette structure (figure 4a), l'anode est constituée par un anneau 40 (par exemple de hauteur 3 cm, sur un rayon de 5 cm) situé à l'intérieur de la cavité cathodique 42 dont l'élément principal est constitué par la paroi cathodique cylindrique 41 séparée en deux parties par la fente d'extraction 32. La hauteur d'une cellule élémentaire peut être par exemple de 6 à 8 cm. Le champ électrique est, dans cette zone, radial et le champ magnétique de confinement est globalement perpendiculaire et par conséquent parallèle à l'axe de symétrie de la structure. Les électrons accélérés vers l'anode sont déviés vers la cathode par le champ magnétique et décrivent des cycloOlaes (figure 4b) avec pour base la surface cylindrique (ou la surface équipotentielle) sur laquelle ils ont été créés.In this structure (Figure 4a), the anode is constituted by a ring 40 (for example 3 cm high, on a radius of 5 cm) located inside the
Le champ magnétique de confinement peut être créé par des aimants 48 en forme de disques disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie de la structure ; ces aimants 48 peuvent être maintenus mécaniquement sur un support métallique 43 faisant office de circuit magnétique et dont le diamètre est inférieur au diamètre anodique. Il peut être également créé par une bobine 50 disposée à l'extérieur de la structure tube (figures 5 et 6) et conduisant à l'obtention d'un champ magnétique supérieur au champ de coupure. La bobine 50 a une hauteur qui peut être avantageusement égale à 1,5 à 2 fois la hauteur totale des structures cathodiques. Cette configuration peut être intéressante dans certaines utilisations nécessitant un freinage des neutrons, utilisation d'un matériau de bobinage lourd, refroidi par circulation d'eau pouvant servir également au refroidissement de la cible. Dans cette configuration un avantage important est que les électrons secondaires de la cible sont piégés (renvoi sur la cible 4) par le champ magnétique et l'électrode supresseuse 24 n'est plus strictement nécessaire en fonctionnement à basse pression (quelques 10-4 à 10-2 Torr). Dans le cas des figures 5 et 6, l'anode peut être constituée (fig.5) par un anneau 40 disposé dans chaque cavité cathodique 42 délimitée par des anneaux plats 52 en matériau conducteur, la cathode étant constituée par des anneaux conducteurs 51 (par exemple de hauteur 3 à 4 cm) solidaires des anneaux plats 52 (par exemple de hauteur 2 mm) entre lesquels sont disposées des fentes d'extraction 32. L'anode est de préférence constituée (fig.6) par un seul cylindre (ou tronc de cône) 55 fixé par des entretoises 56, les anneaux plats 52 étant supprimés.The confining magnetic field can be created by
Les structures présentées maintenant comportent une source d'ions, à extraction radiale selon l'invention, avec un champ électrique de confinement.The structures presented now include an ion source, radially extracted according to the invention, with an electric confining field.
Les figures 7 et 8 présentent une structure orbitron présentant une anode 70 de faible dimension (de diamètre par exemple compris entre 0,05 et 0,1 cm), située sur l'axe de la cathode 51 (de diamètre par exemple compris entre 10 et 15 cm). Cette structure peut être à cathode froide (figure 7) et par conséquent nécessitant une tension anodique élevée et une pression de fonctionnement comprise au mieux dans la plage des 10-4-10-3 torr ou présentant également une cathode chaude 71 (figure 8), entraînant alors une extension plus grande de la plage de fonctionnement vers les basses pressions. Le principe de fonctionnement est le suivant : les électrons émis par les filaments ou les cathodes sont attirés par l'anode ; suivant leur angle d'émission et leur énergie initiale, ils peuvent "manquer" l'anode et ainsi osciller longuement à l'intérieur de la structure, la probabilité d'ionisation est ainsi fortement augmentée et une décharge, avec formation d'un plasma est créée. Les ions sont attirés sur la cathode et leur extraction est faite à travers une où plusieurs fentes cylindriques 32. L'extraction et la position des fentes 32 peuvent être réalisées de manière similaire à la structure magnétron inversé avec solénoïde. La structure d'accélération 2 et de suppression 24 des électrons secondaires de la cible sont semblables à celles des systèmes de source d'ions à champ magnétique de confinement. La forme et la position de l'électrode suppresseuse 24 doivent tenir compte des pressions de fonctionnement plus élevées, conformément aux dispositions prises dans le brevet français n° 88 13186 précitée.Figures 7 and 8 show an orbitron structure having an
Les figures 9 et 10 présentent des structures Reflex électrostatiques (SIRE) à cathode froide. L'anode 90 est proche de la cathode cylindrique 51 (diamètre de la cathode par exemple compris entre 2 et 3 cm) et les électrons oscillent entre les deux sections planes de la cathode ; la densité de courant ionique est beaucoup plus importante sur les deux sections planes de la cathode, en particulier à basse pression (p Ê 10-3 torr). L'extraction radiale se fait par l'intermédiaire de fentes cylindriques 32 ménagées dans la paroi cylindrique de la cathode 51, dans des conditions similaires à celles de la structure magnétron inversé. Leur surface relative (par rapport à la surface totale de la partie cylindrique de la cathode) peut être importante car l'essentiel de la décharge est due aux sections planes. Le nombre de fentes est fonction de la hauteur de la structure de la source d'ions et de ses dimensions. Le nombre d'anodes annulaires (section circulaire ou cylindrique) refroidies ou non et disposées dans la partie médiane entre les surfaces d'extraction est fonction de la hauteur de la structure. La figure 9 représente une structure à quatre "anneaux" d'extraction, tandis que la figure 10 représente un tube neutronique beaucoup plus haut avec N structures d'extraction (N > 4). Dans ce cas, on met en oeuvre une anode présentant plusieurs anneaux 91. Les parties "accélaration" 2 et "suppression d'électrons secondaires" 24 sont semblables à celles des structures à champs magnétiques. Le diamètre de la structure SIRE peut être de l'ordre de 10 à 15 cm. Leurs pressions de fonctionnement sont en général comprises entre 10-3 torr et quelques 10-2 torr, et leurs tensions entre quelques kV et 12 kV.FIGS. 9 and 10 show electrostatic reflex structures (SIRE) with cold cathode. The
Un accroissement important de l'émission neutronique, avec un accroissement - en valeur relative - beaucoup plus réduit du volume peut être obtenu en disposant plusieurs structures semblables suivant le même axe, comme l'indiquent les figures 2a à 2d, 3a à 3d, 4a, 5, 9 et 10. En effet, les parties isolement électrique et éventuellement les supports magnétiques, restent les mêmes, seules les parties actives composées des électrodes et (éventuellement) des aimants sont démultipliées. L'empilement peut être réalisé de manière à former des cylindres ou des troncs de cône. On peut, à titre d'exemple, donner les solutions suivantes.
- - structure de source d'ions de type Penning : les circuits magnétiques en forme d'anneaux sont communs à deux structures consécutives et chaque structure a ses aimants propres (figures 2a à 2d, 3a à 3d.
- - structure de source d'ions de type magnétron inversé avec aimants : deux structures consécutives ont les mêmes aimants 48 et les circuits magnétiques 41 sont empilés les uns et les autres et par conséquent propres à chaque structure (figure 4a),
- - structure de sources d'ions de type magnétron inversé avec bobine extérieure ; la bobine extérieure 50 est plus longue que les structures de source d'ions empilées les unes sur les autres. La densité d'enroulement par unité de longueur est approximativement constante (figure 5).
- - Penning-type ion source structure: the magnetic circuits in the form of rings are common to two consecutive structures and each structure has its own magnets (Figures 2a to 2d, 3a to 3d.
- - inverted magnetron type ion source structure with magnets: two consecutive structures have the
same magnets 48 and themagnetic circuits 41 are stacked one and the other and consequently specific to each structure (FIG. 4a), - - structure of ion sources of inverted magnetron type with external coil; the
outer coil 50 is longer than the ion source structures stacked on top of each other. The winding density per unit length is approximately constant (Figure 5).
Quant aux structures électrostatiques, leur volume plus grand et leur configuration propre ne permet que de disposer d'un nombre réduit de cellules complémentaires, sachant que les dimensions du tube sont proches de celles des structures à champ magnétique et que les structures électrostatiques sont équipées de plusieurs fentes d'extraction. Il est aussi avantageux de modifier les structures elles-mêmes (position et nombre d'anodes dans la structure SIRE, hauteur des cathodes cylindriques dans les structures SIRE et orbitron).As for electrostatic structures, their larger volume and their own configuration only allows a reduced number of complementary cells, knowing that the dimensions of the tube are close to those of magnetic field structures and that electrostatic structures are equipped with several extraction slots. It is also advantageous to modify the structures themselves (position and number of anodes in the SIRE structure, height of the cylindrical cathodes in the SIRE and orbitron structures).
L'ensemble des structures décrites et représentées ci-dessus présentent les avantages de l'extraction radiale. L'extraction se faisant suivant une surface cylindrique (ou troconique), les structures bénéficient, indépendamment de l'effet de divergence du faisceau d'ions, d'un accroissement de la surface bombardée (cible 4) correspondant au rapport des rayons de la cible 4 et de l'électrode d'extraction (8', 41). En ce qui concerne la source d'ions proprement dite, l'extraction radiale, en particulier par une fente cylindrique 32, supprime en partie l'effet de gaine dû au périmètre de l'électrode d'extraction (c'est-à-dire la partie de la cathode où s'effectue l'extraction) et entraîne une augmentation du rendement d'extraction de la source, toutes choses égales par ailleurs.All of the structures described and shown above have the advantages of radial extraction. As the extraction takes place along a cylindrical (or tapered) surface, the structures benefit, independently of the divergence effect of the ion beam, from an increase in the bombarded surface (target 4) corresponding to the ratio of the rays of the
Un deuxième avantage des structures à extraction radiale est de conduire à une réduction des champs électriques produisant l'émission froide des électrodes et du nombre de claquages en résultant grâce à une dissymétrie dans la répartition du champ électrique : pour une distance d'entre deux électrodes, le champ électrique appliqué moyen varie en 1/r :
Ainsi pour des distances d'accélération d de l'ordre de 20 mm et des électrodes d'extraction de rayon r ex 150 mm, la variation du champ électrique global par rapport à une structure classique (électrodes planes et parallèles) serait de l'ordre de 5 à 10 %. Cet écart faible correspond à une diminution du courant d'émission froide de l'ordre de 5 à 10 par rapport à une émission axiale.Thus for acceleration distances d of the order of 20 mm and extraction electrodes of radius r ex 150 mm, the variation of the global electric field compared to a conventional structure (flat and parallel electrodes) would be around 5 to 10%. This small difference corresponds to a decrease in the cold emission current of the order of 5 to 10 compared to an axial emission.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits et représentés. Elle s'applique également par exemple aux tubes neutroniques en atmosphère de Deutérium uniquement (production de neutrons de 2,6 MeV). En outre, un fonctionnement pulsé est possible après mise en place dans la source d'ions, de manière connue en soi pour les sources à émission axiale, d'une source d'électrons ou d'un émetteur a et/ou et/ou y produisant les premières particules électriques à l'origine de l'armorçage et de la décharge dans la source d'ions.The invention is not limited to the embodiments described and shown. It also applies for example to neutron tubes in a Deuterium atmosphere only (production of 2.6 MeV neutrons). In addition, pulsed operation is possible after placement in the ion source, in a manner known per se for axial emission sources, of an electron source or an emitter a and / or and / or producing the first electric particles therein, causing the ignition and the discharge in the ion source.
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