EP2311061B1 - Electron cyclotron resonance ion generator - Google Patents

Description

Translated fromFrench

La présente invention concerne un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique.The present invention relates to an electron cyclotron resonance ion generating device.

De façon connue, les sources à résonance cyclotronique électronique, dites sources ECR, sont utilisées communément pour produire des ions mono-chargés ou multichargés (c'est-à-dire des atomes auxquels on a arraché un ou plusieurs électrons).In a known manner, electron cyclotron resonance sources, referred to as ECR sources, are commonly used to produce single-charged or multicharged ions (that is to say atoms to which one or more electrons have been torn off).

Le principe de ces sources ECR est de coupler, à l'intérieur d'une chambre sous vide alimentée en atomes (ces atomes peuvent provenir d'un gaz ou d'un métal), une onde haute-fréquence avec un champ magnétique B, de façon à obtenir les conditions dans lesquelles, une résonance cyclotronique est susceptible d'apparaître et d'ioniser les atomes présents, engendrant ainsi un plasma. La pression résiduelle régnant dans la chambre à vide est de l'ordre de 10^-6 à 10^-1 Pa.The principle of these ECR sources is to couple, inside a vacuum chamber fed with atoms (these atoms can come from a gas or a metal), a high-frequency wave with a magnetic field B, in order to obtain the conditions under which a cyclotron resonance is likely to appear and to ionize the atoms present, thus generating a plasma. The residual pressure prevailing in the vacuum chamber is of the order of 10^-6 to 10^-1 Pa.

Généralement, la chambre contenant le plasma présente une symétrie de révolution par rapport à un axe longitudinal. Le champ magnétique est produit par des moyens externes à la chambre sous vide. Ces moyens peuvent être constitués d'un ensemble de bobines parcourues d'un courant électrique ou d'un ensemble d'aimants permanents. Les bobines utilisées, si elles sont constituées de matériaux supraconducteurs, doivent être refroidies jusqu'à une température déterminée, par un système cryogénique approprié.Generally, the chamber containing the plasma has a symmetry of revolution with respect to a longitudinal axis. The magnetic field is produced by means external to the vacuum chamber. These means may consist of a set of coils with an electric current or a set of permanent magnets. The coils used, if they consist of superconducting materials, must be cooled to a specified temperature by a suitable cryogenic system.

La résonance cyclotronique est obtenue grâce à l'action conjuguée de l'onde haute fréquence injectée dans l'enceinte, et d'un champ magnétique présentant une structure dite "à minimum B". Le champ magnétique présente en particulier un module Br qui satisfait à la condition (1) de résonance cyclotronique électronique :$$\mathrm{Br}=\mathrm{f}\mathrm{.2}\mathrm{\pi m}/\mathrm{e}$$

dans laquelle e représente la charge de l'électron, m sa masse et f la fréquence de l'onde électromagnétique.The cyclotron resonance is obtained thanks to the combined action of the high frequency wave injected into the enclosure, and a magnetic field having a so-called "minimum B" structure. In particular, the magnetic field has a module Br which satisfies the condition (1) of electronic cyclotron resonance:$$\mathrm{Br}=\mathrm{f}\mathrm{.2}\mathrm{\pi m}/\mathrm{e}$$

in which e represents the charge of the electron, m its mass and f the frequency of the electromagnetic wave.

Un système d'extraction des ions, situé du côté de la chambre opposé à celui de l'injection de la haute fréquence, ou disposé latéralement par rapport à l'axe de la source en regard du plasma est également prévu.An ion extraction system, located on the side of the chamber opposite to that of the injection of the high frequency, or disposed laterally with respect to the axis of the source facing the plasma is also provided.

Dans ce type de source, la quantité d'ions pouvant être produite résulte de la compétition entre deux processus : d'une part la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le milieu gazeux à ioniser, et d'autre part, les pertes de ces mêmes ions par recombinaison avec les particules neutres ou chargées présentes dans le volume plasma ou bien par diffusion des atomes neutres jusqu'aux parois de l'enceinte.In this type of source, the quantity of ions that can be produced results from the competition between two processes: on the one hand the formation of ions by electronic impact on neutral atoms constituting the gaseous medium to be ionized, and on the other hand, the losses of these same ions by recombination with the neutral or charged particles present in the plasma volume or by diffusion of the neutral atoms to the walls of the chamber.

Il est prévu de confiner dans l'enceinte les ions formés ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en superposant au champ magnétique de symétrie axiale un champ magnétique de symétrie radiale. Ce champ magnétique radial est obtenu à l'aide d'une structure multipolaire constituée généralement par des aimants permanents. Un gradient de champ positif est créé dans toutes les directions (sur l'axe et vers la paroi de la chambre) et est décélérateur. Les électrons du plasma sont piégés dans un puits de potentiel magnétique axialement et radialement. Cette configuration de miroir magnétique n'est évidemment pas parfaite (lignes de fuite) et ceci est mis à profit pour que l'on puisse en extraire les particules chargées qui formeront le faisceau à la sortie de l'électrode plasma.It is planned to confine in the chamber the ions formed as well as the electrons used for their ionization. This is achieved by superimposing on the magnetic field of axial symmetry a magnetic field of radial symmetry. This radial magnetic field is obtained using a multipolar structure generally consisting of permanent magnets. A positive field gradient is created in all directions (on the axis and towards the wall of the chamber) and is decelerating. The plasma electrons are trapped in a magnetic potential well axially and radially. This magnetic mirror configuration is obviously not perfect (creepage) and this is used to extract the charged particles that will form the beam at the output of the plasma electrode.

La superposition du champ magnétique radial et du champ magnétique axial conduit à la formation de surfaces d'équimodule de champ magnétique, fermées n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte. Le champ magnétique total est réglé de façon à ce qu'il existe au moins une surface magnétique complètement fermée sur laquelle la condition (1) de résonance cyclotronique électronique est satisfaite.The superposition of the radial magnetic field and the axial magnetic field leads to the formation of closed magnetic field equimodule surfaces having no contact with the walls of the enclosure. The total magnetic field is adjusted so that there is at least one completely closed magnetic surface on which the electronic cyclotron resonance condition (1) is satisfied.

La demande de brevetFR 2668642 A décrit une source d'ions fortement chargés à sonde polarisable et à résonance cyclotronique électronique, ladite source ayant une compacité améliorée.The patent application FR 2668642 A discloses a highly charged ion source with polarizable probe and electron cyclotron resonance, said source having improved compactness.

Le brevetEP946961déposée par la demanderesse décrit une source ECR utilisant un champ magnétique à symétrie de révolution. Cette source comporte des moyens magnétiques dont la somme vectorielle des champs créés par ces moyens magnétiques permet de définir au moins une ligne fermée de minima du module B de la somme vectorielle, à l'intérieur d'un ou plusieurs volume(s) intérieur(s) à la cavité et délimité(s) par des surfaces d'équimodule Bf du champ magnétique fermées dans l'espace. La surface fermée de module B_f englobe un volume intérieur où le champ magnétique peut, en particulier, présenter un minimum B très faible, au contraire de ce qui se produisait dans les sources ECR déjà connues.The patent EP946961 filed by the applicant describes an ECR source using a magnetic field symmetry of revolution. This source comprises magnetic means whose vector sum of the fields created by these magnetic means makes it possible to define at least one closed line of minima of the module B of the vector sum, within one or more internal volume (s) ( s) to the cavity and delimited by surfaces of equimodule Bf of the magnetic field closed in space. The closed module surface B_f encompasses an interior volume where the magnetic field may, in particular, have a very low minimum B, unlike what occurred in previously known ECR sources.

La densité électronique des plasmas des sources RCE est comprise entre 10⁹ et 10¹² électrons par cm³. Les particules neutres sont injectées dans le volume de la chambre à vide contenant le plasma. Si elles ne sont pas ionisées au cours de leur premier trajet au sein du plasma, elles collent sur les parois de la chambre. Leur temps de collage dépend de l'espèce chimique à laquelle elles appartiennent. Ce temps peut être très important pour des particules dont les propriétés physico-chimiques autorisent une réaction avec les parois. Leur probabilité d'ionisation dépend donc directement de la capacité d'ionisation du plasma.The electron density of the ECR source plasmas is between 10⁹ and 10¹² electrons per cm³ . The neutral particles are injected into the volume of the vacuum chamber containing the plasma. If they are not ionized during their first journey within the plasma, they stick on the walls of the room. Their bonding time depends on the chemical species to which they belong. This time can be very important for particles whose physico-chemical properties allow a reaction with the walls. Their probability of ionization therefore depends directly on the ionization capacity of the plasma.

Des efficacités d'ionisation proches de 100% peuvent être observées pour les gaz non réactifs avec les parois. En effet, les rebonds successifs des particules sur les parois multiplient le nombre de trajets des particules dans le plasma et permettent leur ionisation s'ils ne sont pas ionisés au passage des zones d'excitation électronique les plus fortes du plasma (autour des zones de résonance).Ionization efficiencies close to 100% can be observed for non-reactive gases with the walls. Indeed, the successive rebounds of the particles on the walls multiply the number of paths of the particles in the plasma and allow their ionization if they are not ionized at the passage of the zones of the strongest electron excitation of the plasma (around the zones of resonance).

En revanche, il n'en est pas de même pour les éléments condensables (Pb, Ge par exemple) du tableau périodique de Mendeleïev. Ces derniers, s'ils ne sont pas ionisés au premier passage dans le plasma, sont collés aux parois dès qu'ils les atteignent et ne peuvent s'en décoller que si la température de la paroi est suffisante pour l'élément considéré. Dès lors, les sources d'ions ECR conventionnelles avec des parois froides conduisent à de faibles efficacités totales d'ionisation dans la mesure où les atomes qui ne sont pas ionisés à leur premier passage dans le plasma se condensent sur les parois de la chambre et sont perdus pour la production du faisceau. Ainsi, compte tenu des sections efficaces d'ionisation par impact électronique, les efficacités d'ionisation pour les éléments condensables sont de quelques pour mille, pour une onde de fréquence 2.45 GHz jusqu'à 20% pour une onde de fréquence 15 Ghz.On the other hand, it is not the same for the condensable elements (Pb, Ge for example) of Mendeleev's periodic table. The latter, if they are not ionized at the first passage in the plasma, are stuck to the walls as soon as they reach them and can only come off if the temperature of the wall is sufficient for the element in question. As a result, conventional ECR ion sources with cold walls lead to low total ionization efficiencies as atoms that are not ionized at their first pass through the plasma condense on the walls of the chamber and are lost for beam production. Thus, in view of the electron impact ionization cross sections, the ionization efficiencies for the condensable elements are from a few to a thousand, for a wave frequency of 2.45 GHz up to 20% for a wave frequency of 15 Ghz.

On notera qu'il en va de même pour la production d'ions radioactifs dont l'efficacité sera très dépendante de la durée de vie de ces éléments.Note that it is the same for the production of radioactive ions whose effectiveness will be very dependent on the life of these elements.

Pour les gaz non réactifs avec la paroi, l'efficacité d'ionisation est évidemment plus élevée que pour les éléments condensables ; toutefois, parallèlement, le temps total de transformation des particules neutres augmente, ce temps étant lié à la fois aux différents rebonds et au temps de décollage des particules.For non-reactive gases with the wall, the ionization efficiency is obviously higher than for the condensable elements; however, in parallel, the total transformation time of the neutral particles increases, this time being related to both the different rebounds and the take-off time of the particles.

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique permettant d'augmenter la capacité d'ionisation directe avant tout rebond sur les parois de la chambre à vide.In this context, the object of the present invention is to provide an electronic cyclotron resonance ion generating device which makes it possible to increase the direct ionization capacity before any bounce on the walls of the vacuum chamber.

A cette fin, l'invention propose un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant :

• une chambre étanche sous vide destinée à contenir un plasma, ladite chambre étant à symétrie axiale suivant un axe longitudinal,
• des moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre, ledit champ magnétique possédant une symétrie de révolution par rapport au dit axe longitudinal,
• des moyens de propagation d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre,

ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite chambre comporte :

• un premier étage d'ionisation situé au niveau d'une extrémité de ladite chambre, ledit premier étage comportant une zone d'ionisation dans laquelle sont générés des ions, ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal dans ladite zone d'ionisation,
• un deuxième étage de confinement magnétique desdits ions générés dans ladite zone d'ionisation, ledit deuxième étage utilisant une première onde haute-fréquence se propageant dans ladite chambre issue desdits moyens de propagation d'une onde haute-fréquence,

ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal entre ladite zone d'ionisation et ledit deuxième étage de confinement de sorte que les ions générés dans ladite zone d'ionisation migrent vers ledit deuxième étage de confinement et que lesdits premier et deuxième étages comportent un même plasma continu.To this end, the invention proposes an electron cyclotron resonance ion generating device comprising:

• a vacuum sealed chamber for containing a plasma, said chamber being axially symmetrical along a longitudinal axis,
• means for generating a magnetic field in said chamber, said magnetic field having a symmetry of revolution with respect to said longitudinal axis,
• means for propagating a high-frequency wave inside said chamber,

said device being characterized in that said chamber comprises:

• a first ionization stage located at an end of said chamber, said first stage comprising an ionisation zone in which ions are generated, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis in said ionization zone,
• a second magnetic confinement stage of said ions generated in said ionization zone, said second stage using a first high-frequency wave propagating in said chamber resulting from said means of propagation of a high-frequency wave,

said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis between said ionization zone and said second confinement stage so that the ions generated in said ionization zone migrate to said second confinement stage and said first and second stages comprise a same continuous plasma.

On entend par champ magnétique possédant une symétrie de révolution par rapport à l'axe longitudinal, un champ magnétique dont les composantes radiale et axiale sont symétriques quels que soient les points situés sur un cercle autour dudit axe.Magnetic field having a symmetry of revolution with respect to the longitudinal axis is understood to mean a magnetic field whose radial and axial components are symmetrical irrespective of the points situated on a circle about said axis.

Grâce à l'invention, on réduit le temps de transformation des particules neutres en ions tout en assurant une grande efficacité d'ionisation. Le dispositif selon l'invention présente un champ magnétique à symétrie de révolution définissant le volume d'un plasma contenu dans une chambre comprenant deux zones ou étages distincts. Les ions sont essentiellement créés dans la première zone tandis que la deuxième zone assure le confinement des ions selon le principe de la source à résonance cyclotronique électronique. Entre les deux zones, les directions des vecteurs du champ magnétique sont parallèles à l'axe commun aux deux étages, à savoir l'axe longitudinal de la chambre : on a donc entre ces deux zones un champ magnétique purement axial (pas de composante radiale du champ magnétique). Les deux zones ne présentent aucune rupture sur le plan magnétique et définissent un volume contenant un seul et même plasma, c'est-à-dire un seul et même ensemble composé d'ions, d'électrons, d'atomes et de molécules, globalement électriquement neutre (i.e. avec autant de charges positives que de charges négatives). Le fait d'utiliser des vecteurs de champ magnétique coaxiaux entre les deux étages entraîne implicitement que le champ magnétique est à symétrie de révolution et impose la migration des ions de la première zone vers la deuxième zone.Thanks to the invention, the transformation time of the neutral particles into ions is reduced while ensuring a high efficiency of ionization. The device according to the invention has a magnetic field with symmetry of revolution defining the volume of a plasma contained in a chamber comprising two distinct zones or stages. The ions are essentially created in the first zone while the second zone ensures the confinement of the ions according to the principle of the electron cyclotron resonance source. Between the two zones, the directions of the vectors of the magnetic field are parallel to the axis common to the two stages, namely the longitudinal axis of the chamber: there is thus between these two zones a purely axial magnetic field (no radial component magnetic field). The two zones have no magnetic break and define a volume containing a single plasma, that is to say a single set composed of ions, electrons, atoms and molecules, globally electrically neutral (ie with as many positive charges as negative charges). The fact of using coaxial magnetic field vectors between the two stages implies implicitly that the magnetic field is symmetrical of revolution and requires the migration of ions from the first zone to the second zone.

Dans le premier étage, l'efficacité d'ionisation d'une particule dépend des moyens utilisés pour réaliser cette ionisation. Les particules ionisées migrent vers le deuxième étage RCE dans lequel elles sont confinées voir multichargées ; on notera à ce titre que le deuxième étage peut conserver ou augmenter l'état de charge des ions provenant du premier étage.In the first stage, the ionization efficiency of a particle depends on the means used to achieve this ionization. The ionized particles migrate to the second ECR stage in which they are confined or even multicharged; it should be noted in this respect that the second stage can maintain or increase the state of charge of the ions coming from the first stage.

Les ions confinés par le deuxième étage peuvent alors être utilisés sous la forme d'un faisceau de particules mono ou multichargées. Le faisceau ainsi produit présentera les caractéristiques données par une source de type RCE à symétrie de révolution telle que décrite dans le brevetEP946961 de la demanderesse.The ions confined by the second stage can then be used in the form of a single or multicharged particle beam. The beam thus produced will have the characteristics given by a RCE type source with symmetry of revolution as described in the patent. EP946961 of the plaintiff.

Concernant l'ionisation de particules de faible durée de vie (atome radioactifs, molécules instables,...), le dispositif selon l'invention permet d'augmenter la probabilité de les ioniser avant qu'ils aient changé d'état en réduisant le temps nécessaire au processus de transformation.As regards the ionisation of particles of short duration (radioactive atoms, unstable molecules, etc.), the device according to the invention makes it possible to increase the probability of ionizing them before they have changed state by reducing the time required for the transformation process.

Par ailleurs, le parallélisme entre ledit champ magnétique et l'axe longitudinal est déterminé par le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt (rayon de giration de l'ion autour des lignes de champ). Ainsi, le rayon de giration augmente avec la masse des ions d'intérêt. Dans la mesure où, selon l'invention, les particules ionisées dans la zone d'ionisation doivent migrer vers la zone de confinement, l'exigence de parallélisme du champ magnétique avec l'axe dépendra du rayon de Larmor de cet ion. On conçoit aisément que pour un ion d'intérêt de faible masse, on pourra tolérer un défaut de parallélisme plus important entre le champ magnétique et l'axe longitudinal que pour un ion d'intérêt de masse plus importante avec un rayon de Larmor élevé et qui pourrait, pour un champ magnétique présentant un angle trop important avec l'axe longitudinal, s'écarter de la direction prévue et ne pas migrer vers le deuxième étage. De façon générale, on peut dire que l'angle θ maximum entre les vecteurs de champ magnétique situés dans la zone d'ionisation et entre cette zone d'ionisation et l'entrée de la zone de confinement, doit rester inférieur à 30°. On notera qu'il est possible de diminuer le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt en ayant un module de champ magnétique élevé dans la zone d'ionisation.Moreover, the parallelism between said magnetic field and the longitudinal axis is determined by the Larmor radius of the ion of interest (radius of gyration of the ion around the field lines). Thus, the radius of gyration increases with the mass of the ions of interest. Since, according to the invention, the ionized particles in the ionization zone must migrate towards the confinement zone, the requirement of parallelism of the magnetic field with the axis will depend on the Larmor radius of this ion. It is easy to understand that for an ion of interest of low mass, it will be possible to tolerate a greater parallelism error between the magnetic field and the longitudinal axis than for an ion of greater mass interest with a high Larmor radius and which could, for a magnetic field having too much angle with the longitudinal axis, deviate from the planned direction and not migrate towards the second stage. In general, it can be said that the maximum angle θ between the magnetic field vectors located in the ionization zone and between this ionization zone and the entry of the confinement zone must remain less than 30 °. Note that it is possible to decrease the Larmor radius of the ion of interest by having a high magnetic field module in the ionization zone.

Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

• Ledit premier étage d'ionisation est une source d'ions à résonance cyclotronique électronique ;
• Le dispositif selon l'invention comporte un guide d'ondes pour l'injection d'une deuxième onde haute-fréquence dans ladite zone d'ionisation ;
• Le dispositif selon l'invention comporte un système d'injection des éléments à ioniser agencé à proximité de la zone de résonance formant ladite zone d'ionisation de ladite source d'ions à résonance cyclotronique, ledit système restant hors de ladite zone de résonance ;
• Ledit système d'injection est un four injectant de la vapeur d'éléments condensable à ioniser dans ladite zone de résonance ;
• Ledit premier étage d'ionisation est choisi parmi les sources suivantes :
  • o source à décharge,
  • o source à ionisation de surface,
  • o source à thermo-ionisation,
  • o source à Laser,
  • o source ionisation de champ,
  • o source à échange de charge ;
• Le dispositif selon l'invention comporte des moyens pour augmenter localement le module du champ magnétique dans ladite zone d'ionisation ;
• lesdits moyens pour augmenter localement le module du champ magnétique sont formés par un anneau en fer doux ;
• lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre comportent des aimants permanents dont l'axe de révolution se confond sensiblement avec ledit axe longitudinal ;
• lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre comportent au moins une bobine, parcourue par un courant d'intensité déterminée, ladite bobine étant réalisée avec un matériau supraconducteur ou un matériau conventionnel ;
• Le dispositif selon l'invention comporte une zone d'extraction desdits ions localisée à l'extrémité opposée à celle dans laquelle se situe ledit premier étage d'ionisation, ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal dans ladite zone d'extraction ;
• lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre permettent de définir dans ledit deuxième étage de confinement magnétique au moins une ligne fermée de minima dudit champ magnétique, à l'intérieur d'un ou plusieurs volume(s) intérieur(s) à ladite chambre et délimité(s) par des surfaces d'équimodule du champ magnétique fermées dans l'espace.

The device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:

• Said first ionization stage is an electron cyclotron resonance ion source;
• The device according to the invention comprises a waveguide for injecting a second high-frequency wave into said ionization zone;
• The device according to the invention comprises an injection system of the elements to be ionized arranged close to the resonance zone forming said ionization zone of said source of cyclotron resonance ions, said system remaining outside said resonance zone;
• Said injection system is an oven injecting condensable element vapor to be ionized in said resonance zone;
• Said first ionization stage is chosen from the following sources:
  • o discharge source,
  • o surface ionization source,
  • o thermionic ionization source,
  • o Laser source,
  • o field ionization source,
  • o source of charge exchange;
• The device according to the invention comprises means for locally increasing the modulus of the magnetic field in said ionization zone;
• said means for locally increasing the modulus of the magnetic field are formed by a soft iron ring;
• said means for generating a magnetic field in said chamber comprise permanent magnets whose axis of revolution substantially coincides with said longitudinal axis;
• said means for generating a magnetic field in said chamber comprises at least one coil, traversed by a current of determined intensity, said coil being made with a superconductive material or a conventional material;
• The device according to the invention comprises an extraction zone of said ions located at the end opposite to that in which said first ionization stage is located, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis in said extraction zone;
• said means for generating a magnetic field in said chamber makes it possible to define in said second magnetic confinement stage at least one closed minimum line of said magnetic field, within one or more volume (s) inside said chamber and delimited by equimodule surfaces of the magnetic field closed in space.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :

• lafigure 1 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention;
• lafigure 2 est une vue en trois dimensions de la configuration mécanique du dispositif de lafigure 1 ;
• lafigure 3 donne deux spectres d'ions multichargés respectivement avec et sans le fonctionnement du premier étage du dispositif de lafigure 1 ;
• lafigure 4 donne trois spectres d'ions multichargés respectivement à trois puissances de chauffage différentes du micro-four utilisé pour l'injection des particules neutres dans le premier étage du dispositif de lafigure 1 ;
• lafigure 5 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention ;
• lafigure 6 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention incluant un dispositif générateur d'ions par thermo-ionisation, une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention ;
• lafigure 7 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention incluant un générateur d'ions par excitation laser, une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention.

Other features and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, as an indication and in no way limiting, with reference to the appended figures, among which:

• the figure 1 is a simplified schematic representation of the device according to a first embodiment of the invention including a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention;
• the figure 2 is a three-dimensional view of the mechanical configuration of the device of the figure 1 ;
• the figure 3 gives two multicharged ion spectra respectively with and without the operation of the first stage of the device of the figure 1 ;
• the figure 4 gives three spectra of multicharged ions respectively at three different heating powers of the micro-furnace used for the injection of the neutral particles in the first stage of the device of the figure 1 ;
• the figure 5 is a simplified schematic representation of the device according to a second embodiment of the invention including a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention;
• the figure 6 is a simplified schematic representation of the device according to a third embodiment of the invention including a device for ion generator by thermo-ionization, a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention;
• the figure 7 is a simplified schematic representation of the device according to a fourth embodiment of the invention including a generator of ions by laser excitation, a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention.

Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.In all the figures, the common elements bear the same reference numbers.

Lafigure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. On notera que certains éléments mécaniques représentés sur lafigure 2 ne sont pas représentés sur le schéma de principe de lafigure 1 pour une meilleure compréhension de cette figure. Lafigure 2 est une vue en trois dimensions de la configuration mécanique du dispositif de lafigure 1 (pour une meilleure compréhension du dispositif 1, lafigure 2 représente une coupe selon un plan vertical passant par l'axe longitudinal du dispositif 1).The figure 1 is a simplified schematic representation of adevice 1 according to a first embodiment of the invention. It will be noted that certain mechanical elements represented on the figure 2 are not represented on the schematic diagram of the figure 1 for a better understanding of this figure. The figure 2 is a three-dimensional view of the mechanical configuration of the device of the figure 1 (for a better understanding of thedevice 1, the figure 2 represents a section along a vertical plane passing through the longitudinal axis of the device 1).

Le dispositif 1 comporte :

• une chambre 2 étanche sous vide ayant un axe de symétrie longitudinale AA';
• trois aimants permanents 3, 4et 5 sensiblement identiques ayant une forme d'anneau et disposés les uns à coté des autres de façon à ce que leur axe de révolution se confonde sensiblement avec l'axe longitudinal AA' de la chambre 2,l'aimant 3 se trouvant à une première extrémité du dispositif 1,l'aimant 5 à l'extrémité opposée et l'aimant 4 étant localisé entre l'aimant 3et l'aimant 5 ;
• un élément conique en fer doux 6 agencé de sorte que son extrémité de section rétrécie se trouve à l'intérieur de l'aimant 4 intermédiaire.

Thedevice 1 comprises:

• a vacuum sealedchamber 2 having a longitudinal axis of symmetry AA ';
• three substantially identicalpermanent magnets 3, 4 and 5 having a ring shape and arranged next to each other so that their axis of revolution is substantially confused with the longitudinal axis AA 'of thechamber 2, themagnet 3 being at a first end of thedevice 1, themagnet 5 at the opposite end and themagnet 4 being located between themagnet 3 and themagnet 5;
• a soft ironconical element 6 arranged so that its narrowed section end is inside theintermediate magnet 4.

Les aimants permanents 3, 4 et 5 peuvent être des aimants monoblocs ou des aimants composés de plusieurs secteurs montés avec une aimantation dans le même sens.Thepermanent magnets 3, 4 and 5 may be monoblock magnets or magnets composed of several sectors mounted with a magnetization in the same direction.

Lafigure 1 inclut également une carte de l'intensité des modules, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif 1 selon l'invention.The figure 1 also includes a map of the intensity of the modules, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in thedevice 1 according to the invention.

Ainsi, l'intensité du module du champ magnétique est représentée par des pointillés : le module régnant dans la chambre 2 est d'autant plus intense que les pointillés sont denses.Thus, the intensity of the modulus of the magnetic field is represented by dashed lines: the modulus prevailing in thechamber 2 is all the more intense as the dotted lines are dense.

De même, plusieurs surfaces d'équimodules sont représentées sur lafigure 1 par des lignes continues.Similarly, several surfaces of equimodules are represented on the figure 1 by continuous lines.

Enfin, les vecteurs de champ magnétique sont représentés par des flèches.Finally, the magnetic field vectors are represented by arrows.

Le dispositif 1 comporte :

• unpremier étage d'ionisation 7 situé au niveau d'une extrémité de la chambre 2, lepremier étage 7 comportantune zone d'ionisation 10 ;
• un deuxième étage deconfinement magnétique 8 des ions générés par lepremier étage 7 ;
• une zone demigration 12 des ions dupremier étage 7 vers le deuxième étage 8 ;
• une zone d'extraction 9 des ions, cette zone pouvant être latérale située dans lazone 8.

Thedevice 1 comprises:

• afirst ionization stage 7 situated at one end of thechamber 2, thefirst stage 7 comprising anionization zone 10;
• a secondmagnetic confinement stage 8 of the ions generated by thefirst stage 7;
• amigration zone 12 of the ions of thefirst stage 7 to thesecond stage 8;
• anion extraction zone 9, this zone being able to be lateral situated inzone 8.

La zone d'ionisation 10 est ici une zone RCE (on notera que les systèmes d'injection des ions et de l'onde haute fréquence ne sont pas représentés sur lafigure 1). Cette zone RCE 10 est ici typiquement une zone haute densité avec une zone de résonance fonctionnant à 15 GHz (valeur donnée à titre purement indicatif pour un guide d'ondes permettant de véhiculer une onde de fréquence comprise entre 8 GHz et 18 GHz). On notera que cette zone assure uniquement l'ionisation des particules neutres injectées et non le confinement de ces mêmes particules ionisées. Cette fréquence de résonance à 15 GHz implique la présence d'un champ magnétique de module environ égal à 5300 G pour assurer le phénomène de résonance qui va permettre l'ionisation efficace des particules neutres (obtention d'ions monochargés et multichargés). La configuration du champ magnétique du premier étage est assurée par les aimants 3 et 4 ainsi que par l'élément conique en fer doux 6. L'élément conique en fer doux permet d'augmenter localement la valeur du module de champ magnétique de façon à obtenir le champ magnétique de résonance au niveau de la zone d'ionisation 10. Comme représenté enfigure 2, l'onde haute fréquence à 15 GHz est transmise via un guide d'ondes 13 de sorte que l'onde haute fréquence à 15 GHz soit injectée au niveau de la zone de résonance 10.Theionization zone 10 is here an ECR zone (it should be noted that the injection systems of the ions and of the high frequency wave are not represented on the figure 1 ). ThisECR zone 10 is here typically a high density zone with a resonance zone operating at 15 GHz (value given purely for guidance for a waveguide for conveying a frequency wave between 8 GHz and 18 GHz). It will be noted that this zone only ensures the ionization of the injected neutral particles and not the confinement of these same ionized particles. This resonance frequency at 15 GHz implies the presence of a magnetic field with a modulus of about 5,300 G to ensure the resonance phenomenon that will allow effective ionization of the neutral particles (obtaining single-charged and multicharged ions). The configuration of the magnetic field of the first stage is ensured by themagnets 3 and 4 as well as by the soft ironconical element 6. The soft iron conical element makes it possible to locally increase the value of the magnetic field module so to obtain the resonance magnetic field at theionization zone 10. As shown in FIG. figure 2 , the high frequency wave at 15 GHz is transmitted via awaveguide 13 so that the high frequency wave at 15 GHz is injected at theresonance zone 10.

Le dispositif 1 comporte également un tube 14 dans lequel on insère un micro-four non représenté : ce micro-four permet par chauffage d'un composé à ioniser jusqu'à une pression de vapeur suffisante de produire des éléments condensables du tableau périodique de Mendeleïev (Pb par exemple). Le micro-four est également sensiblement placé selon l'axe longitudinal AA' et doit être très proche de la zone de résonance 10 sans toutefois pénétrer dans cette zone. Typiquement, le micro-four peut être placé 2 mm en retrait (cf. localisation illustrée par la référence 15) du bout du guide d'onde 13 : ce four est par exemple chargé de²⁰⁸Pb. Rappelons que l'ionisation d'un élément condensable est un critère fondamental pour qualifier le dispositif selon l'invention puisque les éléments condensables non ionisés au premier passage dans les dispositifs connus sont collés aux parois dès qu'ils les atteignent et ne peuvent s'en décoller que si la température de la paroi est suffisante pour l'élément considéré.Thedevice 1 also comprises atube 14 in which a micro-furnace (not shown) is inserted: this micro-furnace makes it possible, by heating a compound to be ionized, to a vapor pressure sufficient to produce condensable elements of the periodic table of Mendeleyev. (Pb for example). The micro-oven is also substantially placed along the longitudinal axis AA 'and must be very close to theresonance zone 10 without however entering this zone. Typically, the micro-oven can be placed 2 mm recessed (see location illustrated by the reference 15) of the end of the waveguide 13: this oven is for example charged with²⁰⁸ Pb. Remember that the ionization of a condensable element is a fundamental criterion for qualifying the device according to the invention since the non-ionized condensable elements at first pass through the known devices are glued to the walls as soon as they reach them and can only come off if the temperature of the wall is sufficient for the element under consideration.

Les ions produits par le premier étage 7 au niveau de la zone d'ionisation 10 sont pris en charge par le champ magnétique sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA' (i.e. composante radiale du champ magnétique est sensiblement nulle) à la fois dans la zone d'ionisation 10 puis entre la zone d'ionisation 10 et l'entrée du deuxième étage de confinement de sorte que les ions générés dans ladite zone d'ionisation migrent spontanément en s'enroulant autour des lignes de champ vers ledit deuxième étage de confinement 8 (on notera que l'ensemble des ions, mono et multichargés, est pris en charge et migre vers le deuxième étage 8). On notera également que le fait d'imposer un champ magnétique sensiblement colinéaire à l'axe AA' implique de fait d'avoir un champ magnétique à symétrie de révolution. Comme déjà mentionné plus haut, le parallélisme entre le champ magnétique et l'axe longitudinal AA' est déterminé par le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt. Ainsi, le rayon de Larmor augmente avec la masse des ions d'intérêt (le rayon de giration de l'Ar est ainsi plus faible que le rayon de giration du Pb, plus lourd que l'Ar). Dans la mesure où, selon l'invention, les particules ionisées dans la zone d'ionisation 10 doivent migrer vers le deuxième étage de confinement 8, l'exigence de parallélisme du champ magnétique avec l'axe dépendra du rayon de Larmor de cet ion. On conçoit aisément que pour un ion d'intérêt de faible masse, on pourra tolérer un défaut de parallélisme plus important entre le champ magnétique et l'axe longitudinal que pour un ion d'intérêt de masse plus importante avec un rayon de Larmor élevé et qui pourrait, pour un champ magnétique présentant un angle trop important avec l'axe longitudinal AA', s'écarter de la direction prévue et ne pas migrer vers le deuxième étage 8. De façon générale, on peut dire que l'angle θ maximum entre les vecteurs de champ magnétique situés dans la zone d'ionisation et entre cette zone d'ionisation et l'entrée de la zone de confinement, doit rester inférieur à 30°. On notera qu'il est possible de diminuer le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt en ayant un module de champ magnétique élevé dans la zone d'ionisation 10 : le cône de fer doux 6 permet de concentrer le champ magnétique dans cette zone.The ions produced by thefirst stage 7 at the level of theionization zone 10 are taken up by the magnetic field substantially parallel to the longitudinal axis AA '(ie the radial component of the magnetic field is substantially zero) both in theionization zone 10 and then between theionization zone 10 and the inlet of the second confinement stage so that the ions generated in said ionization zone migrate spontaneously by winding around the field lines to said second stage of containment 8 (note that all ions, mono and multicharged, is supported and migrates to the second stage 8). It will also be noted that the fact of imposing a substantially collinear magnetic field on the axis AA 'implies in fact having a magnetic field with symmetry of revolution. As already mentioned above, the parallelism between the magnetic field and the longitudinal axis AA 'is determined by the Larmor radius of the ion of interest. Thus, the radius of Larmor increases with the mass of the ions of interest (the radius of gyration of the Ar is thus lower than the radius of gyration of the Pb, heavier than the Ar). Since, according to the invention, the ionized particles in theionization zone 10 must migrate towards thesecond confinement stage 8, the requirement of parallelism of the magnetic field with the axis will depend on the Larmor radius of this ion . It is easy to understand that for an ion of interest of low mass, it will be possible to tolerate a greater parallelism error between the magnetic field and the longitudinal axis than for an ion of greater mass interest with a high Larmor radius and which could, for a magnetic field having too great an angle with the longitudinal axis AA ', deviate from the intended direction and not migrate towards thesecond stage 8. In general, it can be said that the maximum angle θ between the magnetic field vectors located in the ionization zone and between this ionization zone and the entry of the confinement zone, must remain below 30 °. It will be noted that it is possible to reduce the Larmor radius of the ion of interest by having a high magnetic field module in the ionization zone 10: thesoft iron cone 6 makes it possible to concentrate the magnetic field in this region. zoned.

Les deux aimants permanents 4 et 5 servent à générer le champ magnétique à symétrie de révolution.The twopermanent magnets 4 and 5 serve to generate the magnetic field with symmetry of revolution.

Le deuxième étage 8 forme donc une zone de confinement magnétique RCE : les aimants 4 et 5 sont choisis de manière que la somme vectorielle des champs magnétiques créés en chaque point du deuxième étage 8 conduise à obtenir un profil à lignes fermées de minimal |B|. La référence 16 sur lafigure 1 désigne une surface d'équimodule |Bf| (module maximum du champ magnétique dans le deuxième étage 8) tandis que la référence 17 désigne des ellipsoïdes de révolution définies par des valeurs inférieures de champ magnétique. A l'intérieur de ces ellipsoïdes 17, sont définies des lignes fermées de minima. La fréquence de fonctionnement maximal du deuxième étage 8 est définie par la surface fermée 16 de module de champ maximum |Bf|. Une telle configuration est décrite dans le brevetEP946961 déposée par la demanderesse. A titre illustratif, l'étage de confinement RCE fonctionne typiquement avec une onde de fréquence 2.45 GHz correspondant à la ligne fermée 11 représentée sur lafigure 1 (correspondant à un module de champ magnétique environ égal à 870 G). L'onde haute fréquence à 2.45 GHz est injectée via un guide d'onde non représenté inséré dans la tubulure 18. Les ions provenant de la zone d'ionisation 10 appartenant au premier étage 7 restent confinés dans la zone de confinement 8 puis sont extraits dans la zone dite d'extraction 9. On notera que la zone de confinement RCE 8 permet non seulement d'assurer la fonction de confinement des ions chargés lors de leur passage dans la zone d'ionisation 10 mais également, selon les objectifs recherchés, de conserver ou d'augmenter l'état de charge des ions provenant du premier étage. Le deuxième étage peut également permettre la création d'ions monochargés (notamment dans le cas de la recombinaison de certains atomes au sein de la zone de confinement 8). La zone d'extraction 9 des ions est localisée à l'extrémité opposée à celle dans laquelle se situe le premier étage d'ionisation 7, le champ magnétique étant sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA' dans cette zone d'extraction 9 : dès qu'un électron quitte la zone de confinement 8 (il quitte préférentiellement cette zone dans la zone d'extraction 9 dans laquelle le champ magnétique est coaxial avec l'axe de symétrie longitudinal AA'), il y a un ion qui va suivre l'électron et quitter la zone de confinement de façon à respecter la neutralité du plasma.Thesecond stage 8 therefore forms a magnetic confinement zone RCE: themagnets 4 and 5 are chosen so that the vector sum of the magnetic fields created at each point of thesecond stage 8 leads to obtaining a closed line profile of minimal | B | . Thereference 16 on the figure 1 designates a surface of equimodule | Bf | (Maximum modulus of the magnetic field in the second stage 8) while thereference 17 designates ellipsoids of revolution defined by lower values of magnetic field. Inside theseellipsoids 17, closed lines of minima are defined. The maximum operating frequency of thesecond stage 8 is defined by theclosed area 16 of maximum field module | Bf |. Such a configuration is described in the patent EP946961 filed by the plaintiff. By way of illustration, the confinement stage RCE typically operates with a corresponding frequency wave of 2.45 GHz at theclosed line 11 shown on the figure 1 (corresponding to a magnetic field module approximately equal to 870 G). The high frequency wave at 2.45 GHz is injected via a not shown waveguide inserted in thetubing 18. The ions coming from theionization zone 10 belonging to thefirst stage 7 remain confined in theconfinement zone 8 and are then extracted. in the so-calledextraction zone 9. It will be noted that theconfinement zone RCE 8 not only makes it possible to ensure the confinement function of the charged ions during their passage in theionization zone 10 but also, according to the desired objectives, maintain or increase the state of charge of the ions from the first stage. The second stage can also allow the creation of monocharged ions (in particular in the case of the recombination of certain atoms within the confinement zone 8). Theion extraction zone 9 is located at the end opposite to that in which thefirst ionization stage 7 is located, the magnetic field being substantially parallel to the longitudinal axis AA 'in this extraction zone 9: as soon as an electron leaves the confinement zone 8 (it preferentially leaves this zone in theextraction zone 9 in which the magnetic field is coaxial with the longitudinal axis of symmetry AA '), there is an ion which will follow the electron and leave the containment zone so as to respect the neutrality of the plasma.

On notera que les premier et deuxième étages 7 et 8 comportent un seul et même plasma continu.It will be noted that the first andsecond stages 7 and 8 comprise one and the same continuous plasma.

On notera également qu'il est possible d'utiliser un seul guide d'ondes pour injecter les deux ondes haute fréquence (par exemple une première fréquence pour le premier étage 7 d'ionisation égale à 18 GHz et une deuxième fréquence pour le second étage de confinement égale à 8 GHz transmises par le même guide d'ondes).It will also be noted that it is possible to use a single waveguide for injecting the two high frequency waves (for example a first frequency for thefirst ionization stage 7 equal to 18 GHz and a second frequency for the second stage confinement equal to 8 GHz transmitted by the same waveguide).

On peut également utiliser un gaz support (injecté via un capillaire non représenté dans la chambre 2) qui permet d'augmenter la population électronique. Ce gaz support est de préférence un gaz dont les atomes sont de masse plus faible que ceux permettant l'obtention des ions d'intérêt. Ainsi, dans le cas de l'ionisation du²⁰⁸Pb, on peut utiliser un gaz support, par exemple l'He.It is also possible to use a carrier gas (injected via a capillary not shown in chamber 2) which makes it possible to increase the electronic population. This carrier gas is preferably a gas whose atoms are of lower mass than those for obtaining the ions of interest. So, in the case of the ionization of²⁰⁸ Pb, it is possible to use a carrier gas, for example He.

Bien entendu, le système de guidage d'onde 13 et le système d'injection des éléments neutres 14 sont reliés de façon parfaitement étanche à la chambre 2 au moyen de joints appropriés non représentés.Of course, thewaveguide system 13 and the injection system of theneutral elements 14 are connected perfectly tightly to thechamber 2 by means of appropriate joints not shown.

Par ailleurs, l'injection des éléments neutres dans la zone d'ionisation a été plus particulièrement décrite dans le cas de l'utilisation d'un micro-four pour des éléments condensables; bien évidemment, l'invention est également applicable à d'autres sources connues de production d'éléments neutres (bouteille de gaz par exemple).Moreover, the injection of the neutral elements into the ionization zone has been more particularly described in the case of the use of a micro-furnace for condensable elements; obviously, the invention is also applicable to other known sources of production of neutral elements (gas bottle for example).

Avec un dispositif tel que représenté auxfigures 1 et 2, on a réalisé deux spectres de différents ions donnés sur lafigure 3 selon que le premier étage d'ionisation ne fonctionne pas (courbe en trait plein gras) ou fonctionne (courbe en trait plein non gras). Ces spectres donnent l'intensité, exprimée en microampères, du courant d'ions I sortant du dispositif en fonction du courant dans l'aimant d'analyse, exprimé en ampères ; ce courant d'analyse donne le rapport Q/A où Q est la charge de l'ion et A sa masse. Les spectres ont été obtenus dans le cas de l'ionisation du²⁰⁸Pb avec une puissance de micro-four égale à 3.75W, une fréquence du premier étage égale à 9.347 GHz et une fréquence de deuxième étage égale à 2.45 GHz. Lafigure 3 fait clairement apparaître un gain dans l'efficacité d'ionisation selon que le premier étage est ou non en fonctionnement. Ainsi, on observe un gain (ratio des courants d'ions entre le spectre avec fonctionnement du premier étage et le spectre sans fonctionnement du premier étage) égal à 3.1 pour l'ion²⁰⁸Pb³⁺ et à 2.7 pour l'ion²⁰⁸Pb²⁺. On observe également un gain en efficacité pour les ions²⁰⁸Pb⁴⁺ et²⁰⁸Pb¹⁺.With a device as represented in Figures 1 and 2 , two spectra of different ions given on the figure 3 depending on whether the first ionization stage does not work (curve in full bold line) or works (non-bold solid line curve). These spectra give the intensity, expressed in microamperes, of the ion current I leaving the device as a function of the current in the analysis magnet, expressed in amperes; this current of analysis gives the ratio Q / A where Q is the charge of the ion and has its mass. The spectra were obtained in the case of ionization of²⁰⁸ Pb with a micro-oven power equal to 3.75W, a first-stage frequency equal to 9.347 GHz and a second-stage frequency equal to 2.45 GHz. The figure 3 clearly shows a gain in the ionization efficiency according to whether or not the first stage is in operation. Thus, a gain (ratio of ion currents between the spectrum with operation of the first stage and the non-functioning spectrum of the first stage) is observed equal to 3.1 for the²⁰⁸ Pb³⁺ ion and 2.7 for the²⁰⁸ Pb ion.²⁺ . There is also a gain in efficiency for²⁰⁸ Pb⁴⁺ and²⁰⁸ Pb¹⁺ ions.

Lafigure 4 montre l'évolution des intensités de²⁰⁸Pb avec la variation de la puissance du micro-four. Plus la puissance du micro-four est élevée plus l'ionisation est importante. Globalement, on note un gain direct en intensité total du²⁰⁸Pb (en particules) allant d'un gain de 1.4 (pour une puissance du micro-four de 3.36 W) à 2.2 (pour une puissance du micro-four de 5.37W).The figure 4 shows the evolution of intensities of²⁰⁸ Pb with the variation of the power of the micro-furnace. The higher the power of the micro-oven, the greater the ionization is important. Overall, we note a direct gain in total intensity of²⁰⁸ Pb (in particles) ranging from a gain of 1.4 (for a micro-oven power of 3.36 W) to 2.2 (for a micro-oven power of 5.37W) .

On notera par ailleurs qu'un test (non représenté) de fonctionnement du premier étage seul (sans faire fonctionner l'étage de confinement RCE) montre une très faible production d'ions.Note also that a test (not shown) of operation of the first stage alone (without operating the confinement stage RCE) shows a very low production of ions.

Le champ magnétique dans l'exemple illustré auxfigures 1 et 2 est créé par un système à aimants permanents. Cependant, pour obtenir des champs magnétiques correspondant à des fréquences de fonctionnement RCE plus élevées, l'utilisation de système à bobines est également possible. Ainsi, lafigure 5 illustre une représentation schématique simplifiée d'un dispositif 100 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'inventionThe magnetic field in the example shown in Figures 1 and 2 is created by a permanent magnet system. However, to obtain magnetic fields corresponding to higher ECR operating frequencies, the use of a coil system is also possible. So, the figure 5 illustrates a simplified schematic representation of adevice 100 according to a second embodiment of the invention including a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention

Le dispositif 100 comporte :

• une chambre 102 étanche sous vide ayant un axe de symétrie longitudinale AA';
• deux aimants permanents 104et 105 sensiblement identiques ayant une forme d'anneau et disposés les uns à coté des autres de façon à ce que leur axe de révolution se confonde sensiblement avec l'axe longitudinal AA' de la chambre 102 ;
• une bobine 101 parcourue par un courant d'intensité déterminée et dont l'axe de révolution se confond sensiblement avec l'axe longitudinal AA' de la chambre 102
• un élément conique en fer doux 106 agencé de sorte que son extrémité de section rétrécie se trouve à l'intérieur de la bobine 101.

Thedevice 100 comprises:

• a vacuum sealedchamber 102 having a longitudinal axis of symmetry AA ';
• two substantially identicalpermanent magnets 104 and 105 having a ring shape and arranged next to each other so that their axis of revolution is substantially confused with the longitudinal axis AA 'of thechamber 102;
• acoil 101 traversed by a current of determined intensity and whose axis of revolution substantially coincides with the longitudinal axis AA 'of thechamber 102
• a softiron cone member 106 arranged so that its narrowed end section is within thecoil 101.

Comme pour lafigure 1, lafigure 5 inclut également une carte de l'intensité des modules, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif 100 selon l'invention.As for the figure 1 , the figure 5 also includes a map of the intensity of the modules, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in thedevice 100 according to the invention.

Ainsi, l'intensité du module du champ magnétique est représentée par des pointillés : le module régnant dans la chambre 102 est d'autant plus intense que les pointillés sont denses.Thus, the intensity of the modulus of the magnetic field is represented by dotted lines: the modulus prevailing in thechamber 102 is all the more intense as the dotted lines are dense.

De même, plusieurs surfaces d'équimodules sont représentées sur lafigure 5 par des lignes continues.Similarly, several surfaces of equimodules are represented on the figure 5 by continuous lines.

Enfin, les vecteurs de champ magnétique sont représentés par des flèches.Finally, the magnetic field vectors are represented by arrows.

Le dispositif 100 comporte :

• un premier étage d'ionisation 107 située au niveau d'une extrémité de la chambre 102, lepremier étage 7 comportantune zone d'ionisation 110 ;
• un deuxième étage deconfinement magnétique 108 des ions générés par lepremier étage 7 ;
• une zone demigration 112 des ions dupremier étage 107 vers le deuxième étage 108 ;
• une zone d'extraction 109 des ions.

Thedevice 100 comprises:

• afirst ionization stage 107 located at one end of thechamber 102, thefirst stage 7 having anionization zone 110;
• a secondmagnetic confinement stage 108 of the ions generated by thefirst stage 7;
• amigration zone 112 of the ions of thefirst stage 107 to thesecond stage 108;
• anextraction zone 109 of the ions.

La zone d'ionisation 110 est ici une zone RCE à plus haute fréquence que la zone RCE de lafigure 1 réalisée au moyen de la bobine 101. Cette zone RCE 110 est ici typiquement une zone haute densité avec une zone de résonance fonctionnant à 29 GHz. Comme pour lafigure 1, cette zone assure uniquement l'ionisation des particules neutres injectées et non le confinement de ces mêmes particules ionisées. Cette fréquence de résonance à 29 GHz implique la présence d'un champ magnétique très élevé pour assurer le phénomène de résonance qui va permettre l'ionisation efficace des particules neutres (obtention d'ions monochargés et multichargés). L'élément conique en fer doux 106 permet d'augmenter localement la valeur du module de champ magnétique de façon à obtenir le champ magnétique de résonance au niveau de la zone d'ionisation 110.Theionization zone 110 here is an ECR zone with a higher frequency than the ECR zone of the figure 1 ThisRCE zone 110 is here typically a high density zone with a resonance zone operating at 29 GHz. As for the figure 1 this zone only ensures the ionization of the injected neutral particles and not the confinement of these same ionized particles. This resonant frequency at 29 GHz implies the presence of a very high magnetic field to ensure the resonance phenomenon that will allow effective ionization of neutral particles (obtaining single-charged and multicharged ions). The softiron cone element 106 makes it possible to locally increase the value of the magnetic field module so as to obtain the resonance magnetic field at theionization zone 110.

A la seule différence de la bobine 101 qui permet d'utiliser une zone RCE de plus haute fréquence pour l'étage d'ionisation, le dispositif 100 de lafigure 5 est identique au dispositif 1 de lafigure 1 et fonctionne de façon similaire.With the only difference of thecoil 101 which makes it possible to use a higher frequency area RCE for the ionization stage, thedevice 100 of the figure 5 is identical todevice 1 of the figure 1 and works in a similar way.

Les différents modes de réalisation décrits jusqu'à présent (figures 1 et 2 etfigure 5) comprenaient tous un premier étage RCE. Il est toutefois important de noter que le dispositif selon l'invention peut fonctionner avec d'autres types de sources d'ions, la seule condition étant que les ions soient produits dans une zone où le champ magnétique est coaxial à l'axe de symétrie longitudinal de la chambre de sorte que les ions créés migrent spontanément vers le deuxième étage de confinement.The different embodiments described so far ( Figures 1 and 2 and figure 5 ) all included an ECR first floor. It is important to note, however, that the device according to the invention can operate with other types of ion sources, the only condition being that the ions are produced in an area where the magnetic field is coaxial with the axis of symmetry. of the chamber so that the ions created spontaneously migrate to the second confinement stage.

Ainsi, à la place d'un premier étage RCE, le premier étage d'ionisation peut également être choisi parmi les sources suivantes :

• source à décharge,
• source à ionisation de surface,
• source à thermo-ionisation,
• source à Laser,
• source ionisation de champ,
• source à échange de charge.

Thus, in place of a first ECR stage, the first ionization stage can also be chosen from the following sources:

• discharge source,
• surface ionization source,
• thermionic ion source,
• source at Laser,
• ionization field source,
• source with charge exchange.

A titre d'illustration, lesfigures 6 et 7 illustrent une représentation schématique simplifiée de dispositif 200 et 300 respectivement selon un troisième et un quatrième mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention.By way of illustration, Figures 6 and 7 illustrate a simplified schematic representation ofdevice 200 and 300 respectively according to a third and a fourth embodiment of the invention including a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention .

Les dispositifs 200 et 300 sont identiques au dispositif 1 de la figure à la différence que le premier étage d'ionisation n'est pas un étage RCE. Nous avons conservé les mêmes références pour les éléments communs avec le dispositif 1 de lafigure 1.Thedevices 200 and 300 are identical to thedevice 1 of the figure with the difference that the first ionization stage is not an RCE stage. We have kept the same references for the common elements with thedevice 1 of the figure 1 .

Le dispositif 200 de lafigure 6 se différencie du dispositif 1 de lafigure 1 uniquement en ce que la source d'ionisation 201 est une source à ionisation de surface, l'étage d'ionisation 207 du dispositif 200 n'étant donc pas un dispositif RCE. L'extrémité de la source 201 se trouve dans la zone 10 formant la zone d'ionisation du dispositif 200 dans laquelle le champ magnétique est coaxial à l'axe longitudinal AA' de la chambre 2 du dispositif 200. On peut constater que l'on a conservé l'aimant permanent 3 et le cône de fer doux 6 de façon à obtenir une concentration du module de champ magnétique au niveau de la zone d'ionisation 10 : cette concentration de champ permet d'avoir des ions avec des rayons de Larmor plus faibles et est particulièrement utile pour des particules lourdes.Thedevice 200 of the figure 6 differs fromdevice 1 of the figure 1 only in that theionization source 201 is a surface ionization source, theionization stage 207 of thedevice 200 therefore not being an ECR device. The end of thesource 201 is in thezone 10 forming the ionization zone of thedevice 200 in which the magnetic field is coaxial with the longitudinal axis AA 'of thechamber 2 of thedevice 200. It can be seen that the thepermanent magnet 3 and thesoft iron cone 6 have been preserved so as to obtain a concentration of the field module Magnetic at the ionization zone 10: this field concentration makes it possible to have ions with weaker Larmor rays and is particularly useful for heavy particles.

Le dispositif 300 de lafigure 7 se différencie du dispositif 1 de lafigure 1 uniquement en ce que la source d'ionisation 301 est une source d'excitation et ionisation à Laser (dont un des principes est celui d'un faisceau lumineux Laser focalisé qui chauffe ponctuellement une cible ; la dilatation thermique crée localement une onde de choc qui expulse une « plume » de plasma très chaud et dense ; un autre principe est une source à ionisation résonnante laser permettant d'enlever un électron périphérique), l'étage d'ionisation 307 du dispositif 300 n'étant donc pas un dispositif RCE. L'extrémité de la source 301 se trouve dans la zone 10 formant la zone d'ionisation du dispositif 300 dans laquelle le champ magnétique est coaxial à l'axe longitudinal AA' de la chambre 2 du dispositif 300. A nouveau, on peut constater que l'on a conservé l'aimant permanent 3 et le cône de fer doux 6 de façon à obtenir une concentration du module de champ magnétique au niveau de la zone d'ionisation 10.Thedevice 300 of the figure 7 differs fromdevice 1 of the figure 1 only in that theionization source 301 is a source of laser excitation and ionization (one of the principles of which is that of a focused laser light beam which heats a target on a local scale; thermal expansion locally creates a shock wave which expels a "feather" plasma very hot and dense, another principle is a laser resonant ionization source for removing a peripheral electron), theionization stage 307 of thedevice 300 is not a device RCE. The end of thesource 301 is in thezone 10 forming the ionization zone of thedevice 300 in which the magnetic field is coaxial with the longitudinal axis AA 'of thechamber 2 of thedevice 300. Again, it can be seen that that thepermanent magnet 3 and thesoft iron cone 6 have been preserved so as to obtain a concentration of the magnetic field module at the level of theionization zone 10.

Claims (13)

1. An electron cyclotron resonance ion generator device (1, 100, 200, 300) including:

   - a vacuum sealed chamber (2, 102) for containing a plasma, said chamber (2, 102) being of axial symmetry along a longitudinal axis (AA'),

   - means (3, 4, 5, 6, 101, 104, 105, 106) for generating a magnetic field in said chamber (2, 102), said magnetic field having a revolution symmetry relative to said longitudinal axis (AA'),

   - means for propagating a high frequency wave inside said chamber (2, 102),

   said device (1, 100, 200, 300) beingcharacterised in that said chamber (2, 102) includes:

   - a first ionisation stage (7, 107, 207, 307) located at one end of said chamber (2, 102), said first stage including an ionisation zone (10, 110) in which ions are generated, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis (AA') in said ionisation zone (10, 110),

   - a second stage (8, 108) for magnetically confining said ions generated in said ionisation zone (10, 110), said second stage (8, 108) using a first high frequency wave propagating in said chamber (2, 102) from said means for propagating a high frequency wave,

   said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis (AA') between said ionisation zone (10, 110) and said second confinement stage (8, 108) such that the ions generated in said ionisation zone (10, 110) migrate to said second confinement stage (8, 108) andin that said first and second stages (7, 107, 207, 307, 8, 108) include a same continuous plasma.
2. The device (1, 100) according to claim 1,characterised in that the first ionisation stage (7, 107) is an electron cyclotron resonance ion source.
3. The device (1) according to claim 2,characterised in that it includes a waveguide (13) for injecting a second high frequency wave into said ionisation zone (10).
4. The device (1) according to one of claims 2 or 3,characterised in that it includes a system for injecting elements to be ionised arranged in the proximity of the resonance zone forming said ionisation zone (10) of said cyclotron resonance ion source, said system remaining off said resonance zone.
5. The device (1) according to claim 4,characterised in that said injecting system is an oven injecting vapour of condensable elements to be ionised in said resonance zone.
6. The device (1) according to claim 5,characterised in that said oven is arranged such that it is substantially parallel to said longitudinal axis.
7. The device (200, 300) according to claim 1,characterised in that the first ionisation stage is chosen from the following sources:

   - discharge source,

   - surface ionisation source (207),

   - thermo-ionisation source,

   - laser source (307),

   - field ionisation source,

   - charge exchange source.
8. The device (1, 100, 200, 300) according to one of the preceding claims,characterised in that it includes means (6, 106) for locally increasing the module of the magnetic field in said ionisation zone.
9. The device (1, 100, 200, 300) according to the preceding claim,characterised in that said means (6, 106) for locally increasing the module of the magnetic field are formed by a soft iron ring.
10. The device (1) according to one of the preceding claims,characterised in that said means for generating a magnetic field in said chamber include permanent magnets (3, 4, 5) the revolution axis of which is substantially the same as said longitudinal axis (AA').
11. The device (100) according to one of the preceding claims,characterised in that said means for generating a magnetic field in said chamber include at least one coil (101) through which a current having a determined intensity passes.
12. The device (1, 100, 200, 300) according to one of the preceding claims,characterised in that it includes a zone (9, 109) for extracting said ions located at the opposite end to that in which said first ionisation stage is located, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis (AA') in said extracting zone (9, 109).
13. The device according to one of the preceding claims,characterised in that said means for generating a magnetic field in said chamber make it possible to define in said second magnetic confining stage at least one closed line of minima of said magnetic field, inside one or more volume(s) internal to said chamber and delimited by magnetic field-equimodular surfaces closed in space.

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