Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 1835-1848 (1977)
DOI: 10.1051/rphysap:0197700120120183500

Multiduoplasmatron et multiduopigatron : sources de plasma uniforme pour la formation de faisceaux d'ions multiamperes

C. Lejeune, J.P. Grandchamp et J. Aubert

Institut d'Electronique Fondamentale, Laboratoire Associé au C. N. R. S. Université Paris XI, Bâtiment 220, 91405 Orsay Cedex, France

Abstract
Formation of intense ion beams with low divergence requires the creation of a plasma with a large, dense, quiescient and quasi-uniform emissive boundary. We propose two source structures which satisfy these requirements. The plasma is created by several plane and parallel discharges, the currents of which are independly chosen. For the first structure - the Multiduoplasmatron - the discharges are of the duoplasmatron type ; the ignition of the seven available discharges permits to create within a 155 mm diameter cylindrical chamber, a plasma which emissive boundary is uniform to ± 3 % over a 120 mm diameter section. For a C. W. operation with a 8 kW discharge power, the current density of the positive ions impinging at the plasma boundary attains 40 mA.cm-2 with hydrogen and 13 mA.cm-2 with argon ; the energy efficiency for the production of these ions is respectively 2 500 and 7 000 eV.ion-1 and the neutral utilization efficiency 30 and 60 %. For the second structure - the Multiduopigatron - the discharges are of the duopigatron type which insures a large improvement of the ion production energy efficiency, and therefore an increase of the available ion flux for a C. W. operation. The conditions of the adaptation of both the geometric and magnetic parameters in order to optimize the Multiduopigatron for the operation either with hydrogen or argon are reported, the mass of these elements corresponding to the two main applications of intense ion beams. Four discharges having the same intensity are sufficient to create within the same cylindrical chamber, a plasma boundary uniformity to ± 2 % over a 120 mm diameter section, the fringing magnetic field being smaller than 50 G. For the C. W. operation, the current density of the positive ions impinging at the plasma boundary attains 200 mA.cm-2 with a discharge power about 4 kW ; the energy efficiency for the production of these ions is then 275 eV.ion-1 where as the neutral utilization efficiency is 30 % for hydrogen and 60 % for argon.

Résumé
La formation de faisceaux d'ions intenses et peu divergents requiert pour le plasma la présence d'une surface émissive large, dense, quasi-uniforme et stable. Nous proposons deux structures de source capables de satisfaire à ces critères : le plasma est créé par plusieurs décharges planes et parallèles dont les courants sont indépendamment réglables. Pour la première structure - le Multiduoplasmatron - les décharges sont du type duoplasmatron ; l'allumage des sept décharges disponibles permet de créer, dans une chambre cylindrique de 155 mm de diamètre, un plasma dont la surface émissive est uniforme à ± 3 % sur un cercle de diamètre 120 mm ; en régime continu, et pour une puissance de décharge de 8 kW, la densité du courant d'ions positifs, au niveau de la surface émissive, atteint 40 mA.cm-2 pour l'hydrogène et 13 mA.cm-2 pour l'argon ; le rendement énergétique de production de ces ions vaut respectivement 2 500 et 7 000 eV. ion-1, et le rendement d'ionisation des neutres 30 et 60 %. Pour la seconde structure - le Multiduopigatron - les décharges sont du type duopigatron, ce qui entraîne une forte amélioration du rendement en énergie de production des ions, d'où en régime continu, une augmentation du flux d'ions disponible. Les conditions d'adaptation des paramètres géométriques et de la topographie du champ magnétique pour optimiser le Multiduopigatron sont rapportées, pour une opération avec l'hydrogène ou l'argon, éléments dont les masses correspondent aux deux applications principales des faisceaux intenses ; quatre décharges de même intensité suffisent alors pour obtenir dans la même chambre cylindrique une surface émissive uniforme à ± 2 % sur un cercle de diamètre 120 mm, le champ magnétique résiduel étant inférieur à 50 G ; en régime continu, la densité du courant d'ions positifs, au niveau de la surface émissive, atteint 200 mA.cm-2 pour une puissance de décharge de l'ordre de 4 kW ; le rendement énergétique de production de ces ions est alors de 275 eV.ion-1, et le rendement d'ionisation des neutres vaut 30 % pour l'hydrogène et 60 % pour l'argon.

PACS
0777 - Particle beam production and handling: targets.
5250D - Plasma sources.
5275 - Plasma devices and applications.

Key words
ion sources -- plasma diodes -- Multiduoplasmatron -- Multiduopigatron -- intense ion beams -- parallel discharges -- ion production energy efficiency -- CW operation -- plasma sources -- quasiuniform emissive boundary -- plane discharges -- H -- Ar