Source d'ions "Hydrogène" négatifs - Définition

Le système d'extraction

Schéma du système d'extraction des ions H-

Polarisation des éléments du système d’extraction

On polarise ici la source et l’électrode plasma négativement (environ -6 kV) et on laisse l’électrode d’extraction à la masse. On va alors créer un champ électrique entre ces deux électrodes. Cela va permettre d’extraire les particules négatives (des ions H^- formés et des électrons) qui seront attirées par le potentiel le plus élevé.

On peut aussi remarquer la présence d’un séparateur autour de l’électrode d’extraction. Il s’agit d’un aimant réglable. L’application d’un champ magnétique permet de filtrer les éléments légers (les électrons) des éléments lourds (les ions H^-) du faisceau. Ce champ créé par le dipôle a été adapté afin de ne collecter que les ions H^-.

Le faisceau d’ions H^- ainsi filtré va aller frapper sur une cible en cuivre, grâce à laquelle on pourra mesurer l’intensité du faisceau. La cible, reliée à une résistance pour permettre cette mesure, se situe à l’intérieur d’une cage de Faraday. La boîte extérieure de la cage est polarisée négativement (environ –120 V). Ainsi, les électrons secondaires spontanément émis lors de l’interaction entre les particules énergétiques et la surface de la cible sont repoussés par ce potentiel négatif. De cette manière, on mesure correctement le nombre de particules incidentes collectées sur la cible.

Sur le schéma présentant les différents potentiels des éléments du système d’extraction, on peut remarquer que deux enceintes sont séparées par le trou d’extraction du faisceau. Il s’agit de la chambre plasma, déjà présentée, et de la chambre de diagnostic, où le faisceau vient frapper sur la cible et les mesures sont effectuées.

La principale mesure effectuée sur le faisceau est le courant qu’il délivre. Ces mesures sont faites dans la chambre de diagnostic où règne une pression d’environ 10^-2Pa (10^-5mbar). Cette pression est nécessaire afin de limiter les pertes lors du transport du faisceau. Ainsi, un faisceau d'ions suffisamment intense sera par la suite injecté dans un accélérateur de particules.

Les différentes réactions possibles et la fabrication des ions H-

A l'intérieur de l'enceinte de la source, quelques réactions se produisent suite à la formation d'électrons chauds. Il s'agit des réactions d'excitation (produisant une molécule de dihydrogène excitée notée H*), de dissociation et de ionisation. Toutes ces réactions étant concurrentes, on peut alors remarquer dans l’enceinte de la source la présence d’ions hydrogène H⁺, d’ions de dihydrogène H⁺, d’électrons e^-, et aussi de molécules de dihydrogène H ou d’atomes d’hydrogène H, plus ou moins excités. Une partie du dihydrogène a donc été ionisée, créant ainsi ce qu'on appelle un plasma (gaz globalement neutre constitué de particules chargées et de particules neutres).

D’après les réactions qui ont lieu entre les différents éléments, de plus en plus d’électrons circulent librement. Par collisions multiples avec les différents composants du plasma, ils vont devenir très faiblement énergétiques : on parle de thermalisation des électrons, ce qui va former une population d’électrons dits « froids ». Pour produire des ions H^-, la présence de molécules de dihydrogène excitées est indispensable. La seule réaction qui permet d’engendrer ce processus parmi celles expliquées précédemment est la réaction d’excitation.

Ainsi, lorsqu’une molécule de dihydrogène suffisamment excitée rencontre un électron froid, elle se dissocie en libérant un atome d’hydrogène et un ion H^-. Ce dernier n’est autre que la combinaison de l’atome restant de la molécule de dihydrogène avec l’électron froid à l’origine de la collision électrostatique. Ce phénomène est appelé « attachement dissociatif » : H* + e -> H + H^-

Mais un problème se pose ici : les électrons chauds, qui sont à l’origine de la formation de molécules de dihydrogène excitées H*, en sont aussi les destructeurs. De plus, sans molécules de H*, on ne peut pas produire d’ions H^-. Cela veut dire que si on laisse les molécules H* en présence de ces électrons chauds, la production d’ions H^- est impossible. Cette réaction se faisant avec des électrons froids, il faut séparer ces derniers de la population d’électrons chauds. C’est pourquoi une grille, qui va permettre cette séparation, a été insérée dans la chambre plasma.